胡雅潔

（珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070）

前言

變頻多聯(lián)式中央空調(diào)具有節(jié)能舒適、占用空間小、安裝方便、使用靈活等多種優(yōu)勢，越來越受到消費者的青睞。通常多聯(lián)式空調(diào)機組系統(tǒng)包括一個室外側(cè)系統(tǒng) （室外機）和多個室內(nèi)側(cè)系統(tǒng) （室內(nèi)機），為提高整機散熱性能，某些室外機組需帶兩個風機運行。一般地，變頻空調(diào)壓縮機與風機都采用變頻調(diào)速控制方式，且各自的驅(qū)動控制器完全獨立，采用分布式獨立電源，即每個驅(qū)動都有自己的電源供電系統(tǒng)。與此同時，變頻驅(qū)動設(shè)計的PCB尺寸會較大、成本會較高、且能耗也難以降低，難以滿足節(jié)能和高性價比的要求。此外，變頻多聯(lián)式空調(diào)機組在中央空調(diào)領(lǐng)域中所占份額較大，每年消耗的電能較多，并且隨著其市場需求及使用數(shù)量的不斷增加，獨立式電源供電方式的累計成本將大大增加。隨著人們消費及生產(chǎn)理念的轉(zhuǎn)變，產(chǎn)品的便攜式已逐漸列入，除價格、可靠性、美觀性外人們追逐的主流要素當中。一種體積更小、價格更低、生產(chǎn)效率更高的新一代變頻驅(qū)動控制器急需被開發(fā)。特別是我國作為空調(diào)生產(chǎn)和消費的大國，也是空調(diào)出口的大國，加上直流變頻多聯(lián)機組在中央空調(diào)領(lǐng)域中占有絕對主導(dǎo)地位，未來中央空調(diào)在縮小體積、成本降低上都將面臨更加嚴峻的“瘦身”任務(wù)。

1 單電源供電方案的工作原理

傳統(tǒng)的電源供電方案是，壓縮機與風機驅(qū)動變頻控制器完全獨立，分別有各自的強電濾波電路、整流儲能電路及逆變電路。如圖1。其缺點是整體驅(qū)動控制器的體積大，成本高。若采用單電源供電控制方案，可減少1個濾波器及風機變頻驅(qū)動板的一大塊整流儲能電路。降低變頻驅(qū)動的成本，同時也減小了外機電控箱的體積。單風機情況下，風機和壓縮機的開關(guān)電源、整流儲能電路集成在一個驅(qū)動控制器上;雙風機情況下，風機驅(qū)動Ⅱ與風機驅(qū)動Ⅰ的開關(guān)電源均從壓縮機驅(qū)動上取電，即2風機驅(qū)動共用1個開關(guān)電源。當前，國內(nèi)外空調(diào)行業(yè)，均未有2風機共用1開關(guān)電源的控制方式。

圖1 獨立開關(guān)電源控制框圖

采用壓縮機與風機變頻驅(qū)動控制器共用開關(guān)電源的單電源控制方式，通過優(yōu)化硬件的方式，將開關(guān)電源、整流儲能電路集成在一個驅(qū)動控制器上（目前集成在壓縮機驅(qū)動上），配套驅(qū)動控制器（風機驅(qū)動）無需自帶開關(guān)電源及整流儲能電路，與前者共用即可實現(xiàn)所有驅(qū)動控制功能。且雙風機情況，僅需1個開關(guān)電源，大大降低了驅(qū)動板的成本及尺寸。分單風機與雙風機兩種情況。其控制方案按單風機及雙風機情況區(qū)分，具體工作原理如下:

單風機:壓縮機與風機變頻驅(qū)動控制器共用1個開關(guān)電源及直流母線電源。整套變頻驅(qū)動控制器僅包含:1個濾波器、1塊壓縮機變頻驅(qū)動板 （含整流儲能與逆變）、1塊風機變頻驅(qū)動板 （僅含逆變）。即風機和壓機的開關(guān)電源、整流儲能電路集成在一個驅(qū)動控制器上。

雙風機:雙風機驅(qū)動共用1壓機驅(qū)動的開關(guān)電源，即風機驅(qū)動Ⅱ與風機驅(qū)動Ⅰ的開關(guān)電源均從壓機驅(qū)動上取電。如圖2。相對現(xiàn)有一代方案，可減少1個濾波器及風機變頻驅(qū)動板的一大塊整流儲能電路。降低變頻驅(qū)動的成本，同時也減小了外機電控箱的體積。

圖2 單開關(guān)電源雙風機控制框圖

2 單電源供電方案的硬件電路設(shè)計

單電源供電控制方案拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示，拓撲結(jié)構(gòu)圖列出了共用開關(guān)電源的控制原理。上電后，正確接入共用直流母線端口（COM1）及開關(guān)電源端口 （COM2），風機及壓機驅(qū)動控制器將正常運行。雙風機的情況，風機驅(qū)動Ⅱ與風機驅(qū)動Ⅰ的開關(guān)電源均從壓機驅(qū)動上取電，即2風機驅(qū)動共用1個開關(guān)電源，直流母線電壓也同時從壓機驅(qū)動板上取電。

單開關(guān)電源控制方式不但節(jié)約了成本，且電源輸出電壓可靠性高。為驗證單開關(guān)電源控制方式的滿負載 （使用最惡劣情況下的）可靠性，進行了一些硬件可靠性測試:在額定輸入電壓 （220V）情況下，開關(guān)電源各路電壓輸出波形。壓機驅(qū)動及風機驅(qū)動上的電源主要有18V、15V、12V、5V、3.3V幾種，以下主要選取15V電源的電壓波形作為例子介紹 （見表1）:

表1 風機和壓機驅(qū)動輸出電壓測量情況

從表1可以看出，采用單電源供電的方式，滿負載情況下電壓輸出正常穩(wěn)定，波形良好，無突升突降情況，可靠性高。

3 單電源供電方案電路器件的選型

當采用單電源供電的控制方式時，開關(guān)電源輸出的功率等級會增加，對元器件的性能特性要求會提高，高頻變壓器的選擇也需要重新考慮。因此，在采用此控制方式時，需考慮很多影響要素。

3.1 高頻變壓器的選型

由于使用雙風機作為負載 （原負載為單風機），負載需求增加，高頻變壓器的輸出路數(shù)也需要增加，為滿足單電源雙風機控制工作的需要，高頻變壓器需增加輸出路數(shù);另，負載增大導(dǎo)致Ids電流的增大，需相應(yīng)的增大高頻變壓器初級繞組的線徑，高頻變壓器需重新設(shè)計。

3.2 電源芯片的選型

較常見的開關(guān)電源芯片是TNY278（PI廠家，以下也將以TNY278為例介紹開關(guān)芯片）。

同樣，由于使用雙風機作為負載，開關(guān)電源的關(guān)鍵器件的參數(shù)需作調(diào)整。由于負載增多，高頻變壓器的輸出路數(shù)需增加，與此同時，其漏感也會相應(yīng)的增加，變壓器初級漏感造成的尖峰電壓Vspike也會相應(yīng)的增加。

由變壓器漏感造成的 Vspike可通過外圍電路（RCD）吸收，使其在最大交流輸入電壓、最大負載的情況下Vds的波形尖峰不超過開關(guān)管的耐壓值，但基本前提是，電源芯片要選取更高的耐壓等級。實驗驗證，TNY278開關(guān)管的耐壓值可滿足此控制方式的使用 （耐壓值為700V）。

圖3 漏源極尖峰電壓 （Vds）的組成

其中Vin為輸入直流電壓VDC，Vor為變壓器次級反射電壓，Vspike為變壓器初級漏感造成的尖峰電壓。

開關(guān)管開通后，漏源極電壓會在瞬間降為零，此時，其漏極電流Ids開始上升，當占空比達到最大且電流也達到最大值時，開關(guān)管關(guān)斷，電流瞬間降為零。由Ids的波形可以看出在開關(guān)剛開通時，有電流尖峰產(chǎn)生。第一個尖峰電流是開關(guān)管動作的噪聲，不會影響正常使用。為了防止誤保護，TNY278在其內(nèi)部設(shè)置了前沿消隱時間，即在開關(guān)開通的一段時間 （215ns）內(nèi)不檢測電流值，因此即使達到了流限值也不會出現(xiàn)關(guān)斷開關(guān)管負載增大的情況。第二個尖峰就是真正的Ids電流波形，負載增加后，第二個尖峰電流會相應(yīng)的增大，因此單電源供電控制的控制方式需選擇耐電流值更大的芯片。實驗驗證，TNY278開關(guān)管的耐電流值可滿足此控制方式的使用。

圖4 Ids、Vds波形

3.3 輸出電容容值增大

當負載增大后，需將開關(guān)電源的輸出電容增大，才能降低輸出紋波電壓，因此輸出電容的成本會有一定的增加，但很微小。

4 單電源供電方案的應(yīng)用

在變頻多聯(lián)式機組上，首次使用了單開關(guān)電源供電的控制方式，兩個風機驅(qū)動同時在壓機驅(qū)動上取電。硬件上，開關(guān)電源、整流儲能電路集成在一個驅(qū)動控制器上 （目前集成在壓機驅(qū)動上），兩風機驅(qū)動無需自帶開關(guān)電源及整流儲能電路，即可與壓機驅(qū)動配套，實現(xiàn)獨立開關(guān)電源驅(qū)動控制方式的所有功能。

上電正確接入共用直流母線端口（COM1）及開關(guān)電源端口 （COM2），待主控板發(fā)開機命令后，風機及壓機驅(qū)動控制器即可正常運行。變頻多聯(lián)式空調(diào)機組在中央空調(diào)領(lǐng)域中占有絕對主導(dǎo)地位，并逐漸成為空調(diào)市場的主流產(chǎn)品。成本低、外觀簡潔美觀、可靠性高的產(chǎn)品已成為人們追逐的潮流產(chǎn)品，單電源供電控制方式具有明顯的市場優(yōu)勢，今后的應(yīng)用領(lǐng)域會隨著需求的增多而逐漸擴大。

5 結(jié)束語

上述的單開關(guān)電源供電控制方案，通過輸出電源的測試，驗證了在最惡劣情況下的輸出穩(wěn)定性;經(jīng)過在直流變頻多聯(lián)空調(diào)機組上的應(yīng)用，驗證了其使用的可靠性，基本滿足多聯(lián)機組電源使用的需求。同時其體積更小、成本更低、操作更易、外觀更簡潔的優(yōu)點可在今后推廣應(yīng)用在更多的機組上。

［1］ 沙占友.新型單片開關(guān)電源的設(shè)計與應(yīng)用 ［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2001

［2］ 沙占友，王曉君，王彥朋.TOPSwitch－FX系列單片機開關(guān)電源的應(yīng)用［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2001，（2）:33－35

* Power Int數(shù)據(jù)手冊及設(shè)計指南 ［M］.2007