一种空调用新型PFC的设计

0 引言

近年来，随着电子技术的发展，各种电子设备、家用电器可能产生的电流谐波和无功功率对电网的污染也越来越引起人们的重视。谐波的存在，不仅大大降低了输入电路的功率因数，而且可对公共电力系统造成污染，引发电路故障。为了抑制电网谐波，减少电流污染，国际上开始以立法的形式限制高次谐波，中国也颁布了相关的国家标准，电器产品只有符合相应的谐波标准才可以进入市场。目前采用有源功率因数校正(APFC)电路的整流器已经成为抑制谐波的主流方法。为此，本文给出了在平均电流技术控制下，以Boost型功率因数校正方式设计的新型空调用PFC设计方案。

1 功率因数校正的基本方法

功率因数校正方法可分为无源功率因数校正和有源功率因数校正。无源功率因数校正结构简单，便于实现，但校正后的功率因数不高。有源功率因数校正是在桥式整流器与输出电容滤波之间加入一个功率变换器，以将输入电流校正成为与输入电压同相位且不失真的正弦波，从而使功率因数接近1。有源功率因数校正结构复杂，但校正效果较好。是目前应用较广泛的功率因数校正方法。按照电路结构，有源功率因数校正可以分为降压式、升／降压式、反激式，以及升压式(Boost)。升压式拓扑结构采用简单电流型控制方法，具有PF值较高，总谐波失真(THD)小等优点，应用最为广泛。该方法的输出电压高于输入电压，比较适用于75～2 000 W的场合。按照输入电流的控制原理，有源功率因数校正又可以分为平均电流型、滞后电流型、峰值电流型，以及电压控制型。其中，平均电流型控制的工作频率是固定的，输入电流是连续的，同时开关管电流的有效值比较小，因此比较适用于中等功率和较大功率的场合。虽然其控制电路较为复杂，但仍然得到了广泛应用。本文采用的就是平均电流控制型boost架构的PFC电路。

2 电路设计

目前越来越多地采用变频技术来控制空调的运行，这使功率因数校正的要求就更具有现实意义。应用比较广泛的变频技术是将电网提供的电源经过整流滤波后得到比较稳定的直流电源，然后采用PWM技术斩波输出可调频率和幅值的正弦波，从而达到方便的变频调速控制和节能控制之目的。

图1所示为采用平均电流控制的boost型电路原理图，该电路由整流桥输出电压检测信号和电压误差放大器输出信号的乘积来产生基准电流信号并进行比较，以便为开关管提供PWM信号。PFC电路实质上是一个非线性——周期时变的开关系统。首先，它的输人是一个全波整流波形；其次，这种电路包含两种调制：一种是正弦脉宽调制，另一种是幅度调制。这两种调制在负反馈作用下相互影响，从而控制电流波形跟踪电压波形变化。

该电路采用电压和电流双闭环反馈设计，电压环(外环)可稳定输出电压信号，电流环(内环)则可使输入电流很好地跟踪输入电压波形，以便更好的进行功率因数校正。电压环没计是对输出直流电压Uo与参考电压Vref进行比较，并将产生的电压反馈信号输入到乘法器。电流环设计则是将电压误差放大器及整流后的直流电压Ud通过乘法器产生电流基准信号，再将采样得到的电感电流Iac与该基准电流进行比较，并通过电流误差放大器进行处理，然后将产生的信号电压与锯齿波相比较来决定功率开关的通断以及占空比，最终使电感电流能够跟随基准电流，从而有效提高功率因数。

本系统的控制电路结构大致可分为IGBT斩波控制电路、电压过零检测电路、电压幅值采样电路、电流采样电路等几部分。

2.1 IGBT斩波控制

由于应用于变频空调中的功率因数校正控制器需要长时间工作在大功率工况下。而且当功率较大时，传统APFC功率器件要承受较大的电流应力，从而造成器件选型困难，使产品成本增加，并会影响系统的稳定性。因此，为了有效提高功率因数，降低对元器件的要求及减小元器件损耗，本设计在传统APFC基础上进行了改进，从而避开了电流高峰，即采用了每个电压周期中部分斩波的斩波控制方式。相对于整个周期内全部斩波的APFC控制方式来说，采用此种新型斩波方式会在一定程度上降低功率因数校正效果，不利于高次谐波的抑制，但由于电器产品化过程中需要综合考虑效率与成本，因此，只要采用合适的斩波时序进行控制，就可以使控制效果与系统成本达到最佳的结合。本设计中IGBT的开关频率选定在16～20 kHz左右。

在IGBT斩波控制中，为了能够在有效降低器件开关损耗的同时，使功率因数校正及谐波抑制都达到一个较好的效果，根据交流输入电压以及输出电压和负载变化来选择合适的开关时序就成了一个系统电路设计的关键。通过多次的仿真及试验研究，本系统采用了对输入交流电压及输出直流电压幅值进行比较来对斩波时序进行控制的设计方法。

图2所示是用PSPICE9.1进行的仿真波形。由图可见，只要设定合适的电路参数，那么，当电源交流输入电压Ui为220 V时，直流输出电压Uo在290 V左右略有波动。因此可通过电压幅值采样电路来取得交流输入电压和直流输出电压幅值，然后通过比较器进行比较。当输入交流电压Ui幅值大于输出直流电压Uo时，可通过斩波控制信号比较器控制IGBT停止斩波，而当输人交流电压幅值Ui小于输出直流电压Uo时，斩波重新开始。事实上，输入电压在高峰处是大于直流输出电压的，故可控制开关器件停止斩波。

2.2 电压过零检测电路

为了使输入电流与输入电压保持同相位，设计时必须进行输入电压过零检测。在图1中，就是通过Rl、R2进行电压检测并将信号输入到三极管T1，当输入电压经过过零点时，三极管导通，该环节相应的输出口电平将被箝位到零，以便信号能完全输入到CPU的中断口；当输入交流电压瞬时值接近零时，三极管关断，电路向CPU中断口发出高电平信号，由CPU通过该电平转换信号对电流进行控制以使输入电流能够跟踪输入电压的变化。

2.3 电压幅值采样电路

由于本系统中的IGBT斩波时序要通过交流输入电压和直流输出电压幅值进行比较来进行控制，因此，电压幅值采样电路在本电路中显得尤为重要，它将直接影响到功率因数校正及谐波抑制的效果。电压幅值检测包括输入交流电压幅值检测和输出直流电压幅值检测。本设计通过电阻R1和R2分压后对输入交流电压瞬时值进行采样，并输入CPU进行A／D转换，而直流输人电压幅值则通过电阻R3、R4分压采样后再输入CPU进行A／D转换。

2.4 电流采样电路

本设计中采用了较为简单的电流采样电路，并通过电阻Rac对电流进行检测。与需要进行电流采样时，需要进行采样的电流将在外电路被转换为小电阻Rac两端的电压并被输入到CPU的A／D转换口以进行电流采样。

3 试验结果

经过该功率因数校正电路的PWM斩波控制后，电路中的输入电流基本能够跟随交流输入电压的变化，且高次谐波得到了有效抑制。图3所示为采用本文所述新型平均电流控制的boost型电路进行功率因数校正试验的波彤图，由图可见，校正后的波形比校正前更接近正弦波。图4所示为对校正结果的谐波分析图，由图4可知，采用本文的设计方式后，PF值可以达到0.95以上，且高次谐波均不超过国家喈波标准，控制结果完全符合变频空调等家电设备的使用要求，有效的降低了元器件要求，提高了系统稳定性。

4 结束语

本文在分析了传统PFC的基础上，提出了一种新的应用于变频空调产品中的PFC控制方案，并进一步对该方案进行了仿真及试验分析，结果证明，在电流高峰时关断开关器件的新型功率因数校正方法可有效降低对开关器件的要求，减少系统损耗，其校正后的PF值达到了0.95以上。