馬爭先 葉振雄 韓東 熊軍

TCL空調(diào)器（中山）有限公司 廣東中山 528427

1 引言

隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，日常電氣設(shè)備性能不斷提升，電能使用效率需隨之提高，電源功率密度也需增加。Boost型PFC電路由于輸入電流脈動小、EMI小、電流易控、可靠性高等特點，被廣泛應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域。針對不同拓撲結(jié)構(gòu)PFC進行研究，大功率情況一般采用交錯式PFC，是一種基于諧振變換器和移相全橋變換器的混合調(diào)制型雙路輸出變換器拓撲結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)雙路輸出，通過軟開關(guān)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)兩路無耦合[1-2]；圖騰柱PFC電路是利用二極管的反向恢復(fù)特性，實現(xiàn)全電壓范圍軟開關(guān)控制，降低開關(guān)損耗，滿足高效、高功率密度要求[3-4]；無橋PFC拓撲電路是采用單周期和平均電流算法對無橋PFC硬件電路測試并對兩種方法進行性能分析，在占空比預(yù)測基礎(chǔ)上研究快速動態(tài)響應(yīng)數(shù)字PFC方法，并對PFC的EMI技術(shù)進行分析[5]；另外負載端控制采用超高頻啟動技術(shù)，使空調(diào)快速實現(xiàn)冷暖，提高用戶舒適性[6]。

本文基于100 kHz的載波頻率，提出一種超高頻Boost型PFC算法，通過仿真來驗證方案可行性，通過實驗驗證可靠性，并在實際項目中應(yīng)用，該技術(shù)能夠減小電感量，提高產(chǎn)品競爭力。

2 Boost型PFC工作原理

Boost型PFC電路主要作用是提升母線電壓、正弦輸入電流。拓撲如圖1所示，主要器件由電感L、二極管D、IGBT（開關(guān)管）、電容C組成。通過IGBT（開關(guān)管）的控制，實現(xiàn)對母線電壓和輸入電流的控制，達到功率因數(shù)校正和升壓的目的。

圖1 Boost型PFC拓展圖

其中，Vdb為整流后電壓，Vdc為母線電壓，IL為電感電流。

3 設(shè)計要求

按照1.5 P空調(diào)能力要求，設(shè)計各項參數(shù)如下：

輸入電壓：85 VAC～265 VAC；

輸入頻率：50 Hz/60 Hz；

輸出電壓：380 VDC；

輸出功率：2640 W；

開關(guān)頻率：100 kHz；

功率因數(shù)：＞98%；

負載端壓縮機選型如表1所示。

表1 壓縮機電機參數(shù)

4 軟件設(shè)計

根據(jù)圖1，通過AD采樣整流后電壓Vdb、母線電壓Vdc、電感電流IL，通過環(huán)路控制輸出PWM波進行開關(guān)管的控制，達到電壓、電流的調(diào)節(jié)。

軟件設(shè)計架構(gòu)如圖2所示。

圖2 軟件控制框圖

設(shè)定母線電壓380 V，根據(jù)圖2控制方式，電壓環(huán)、電流環(huán)均通過PI控制方式進行調(diào)節(jié)。設(shè)定母線電壓與實際電壓的偏差作為電壓環(huán)PI的輸入，調(diào)節(jié)后輸出結(jié)合Vdb作為電流環(huán)的給定，與實際電流IL進行比較，偏差作為電流環(huán)PI的輸入，通過電流環(huán)PI調(diào)節(jié)輸出占空比，最后轉(zhuǎn)換為PWM波形，對開關(guān)管進行控制。電流環(huán)為控制內(nèi)環(huán)，電壓環(huán)為控制外環(huán)，先進行電流設(shè)計，然后進行電壓環(huán)設(shè)計。

4.1 電流環(huán)S域分析與設(shè)計

圖3為電流環(huán)設(shè)計框圖，通過小信號建模，在一個開關(guān)周期內(nèi)假定輸入電壓保持不變，其電流環(huán)功率級的傳遞函數(shù)如式（1）：

圖3 電流環(huán)設(shè)計框圖

其中，Vdc為母線電壓，L為電感感量。

PI控制策略傳遞函數(shù)為式（2）：

其中，KP，KI為電流環(huán)PI參數(shù)。

采樣保持函數(shù)為式（3）：

其中，Ts為采樣周期。

電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為式（4）：

其中，H(S)為采樣保持器，KIfdb為電流標幺系數(shù)。

設(shè)計PFC載波頻率為100 kHz，為保證足夠帶寬，取電流截止頻率20 kHz，相角裕量45°，即式（5）：

4.2 壓環(huán)S域分析與設(shè)計

圖4為電壓環(huán)設(shè)計框圖，不考慮損耗情況，根據(jù)功率守恒，建立小信號建模，其電壓環(huán)功率級傳遞函數(shù)為式（6）：

圖4 電壓環(huán)設(shè)計框圖

其中，Vrms為輸入電壓有效值，Kac為AC電壓和母線電壓的標幺系數(shù)，Vdc為母線電壓，KIfdb為電流標幺系數(shù)。

PI控制策略傳遞函數(shù)為式（7）：

采樣保持函數(shù)為式（8）：

電壓環(huán)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為式（9）：

設(shè)計電壓環(huán)頻率為5 kHz，為保證足夠帶寬，截止頻率100 Hz，相角裕量45°，即式（10）：

其中，KVfdb=Kac=1/500，Vrms=220 V，得出電壓環(huán)PI參數(shù)：

4.3 占空比前饋

由于超高頻PFC電路輸入電壓范圍寬，很難保證在其輸入電流均有較小的THD值。為解決上述問題，采用了占空比補償技術(shù)，結(jié)合原控制策略，減小THD值，提高功率因數(shù)，其補償算法如式（11）：

其中，dc補償占空比，Kc為補償系數(shù)，Vdb為整流后輸入電壓，Vdc為母線電壓。補償系數(shù)為工程參數(shù)，根據(jù)真實情況進行調(diào)節(jié)。

5 仿真測試

使用MATLAB中Simulink模塊建立仿真模型如圖5，其中控制模塊如圖6，其參數(shù)設(shè)計如表2。

表2 仿真參數(shù)設(shè)計

圖5 仿真示意框圖

圖6 控制環(huán)路仿真框圖

根據(jù)PI參數(shù)進行仿真并進行PI微調(diào)，仿真實驗如下。

5.1 無占空比前饋仿真

Vdb、Iac、Vdc波形及電流傅里葉分析如圖7所示。

圖7 無前饋仿真波形及傅里葉分析

實驗結(jié)果表明：母線電壓Vdc：367～393 V，電壓紋波26 V，電流有效值為12.12 A，滿足設(shè)計要求。電流完全跟隨電壓，符合設(shè)計要求。電流傅里葉分析，THD=5.84%，功率因數(shù)0.98，符合設(shè)計要求。

5.2 占空比前饋仿真

Vdb、Iac、Vdc波形及電流傅里葉分析如圖8所示。

圖8 占空比前饋仿真波形及傅里葉分析

實驗結(jié)果表明：母線電壓Vdc為367～393 V，電壓紋波為26 V，電流有效值為12.11 A，滿足設(shè)計要求。電流完全跟隨電壓，符合設(shè)計要求。電流值傅里葉分析，功率因數(shù)0.98，符合設(shè)計要求。并且THD值比沒有占空比前饋要小，更有利于PF值的提升。

6 實驗驗證

控制器設(shè)計如圖9所示，采用板載高頻電感250 uH，主芯片TI C2000系列主頻100 MHz，包括壓縮機、直流風(fēng)機及IO驅(qū)動模塊，其二極管、IGBT、整流橋、壓機IPM均在散熱器下。

圖9 控制器實物圖

6.1 功能驗證實驗

根據(jù)不同電壓進行測試，測試方案與測試結(jié)果如表3所示，測試波形如圖10所示，由于空調(diào)控制器功率與使用環(huán)境原因，控制器運行電流會出現(xiàn)限降頻，所以真實電流達不到仿真時電流。

圖10 不同電壓電流母線波形圖

表3 不同電壓下測試數(shù)據(jù)

表3表明，設(shè)計滿足電壓要求，不同電壓下母線紋波、PF值均滿足設(shè)計要求，運轉(zhuǎn)狀態(tài)穩(wěn)定。

圖10中通道2藍色為AC電壓，通道1黃色為輸入電流，通道3紅色母線電壓。85 V電壓下壓縮機和風(fēng)機運行頻率較低，母線電壓調(diào)整為350 V，該電壓電流波形相對較差，主要原電壓太低，達到目標母線時占空比較大，電流波形出現(xiàn)波動，但是PF值滿足設(shè)計要求，可靠性也滿足要求。165 V、220 V、265 V均滿足設(shè)計要求和可靠性要求。

6.2 EMI實驗

220 V電壓下不同電流下，有無占空比前饋下EMI實驗諧波分析。

表4為60 Hz/6.1 A電流、80 Hz/7 A電流，占空比前饋，EMI諧波數(shù)據(jù)對比，包括THD值、功率因數(shù)值、20次諧波值，其中綠色為改善點，紅色為效果變差點。4種測試條件下，功率因數(shù)值都滿足設(shè)計要求；不同電流下，占空比前饋技術(shù)下THD值明顯減小，功率因數(shù)值較高。

表4 不同電流下諧波分析

7 結(jié)論

本文主要設(shè)計并實現(xiàn)了超高頻PFC電路，通過使用高主頻芯片和優(yōu)化算法，提升運算能力保證芯片資源充足。行業(yè)當前PFC載波周期低頻為15～20 kHz、高頻為35～40 kHz，在當前基礎(chǔ)上通過技術(shù)突破和算法創(chuàng)新實現(xiàn)100 kHz載波的控制技術(shù)，在控制策略中增加占空比前饋技術(shù)，減小電流的諧波分量，提供功率因數(shù)。通過大量實驗該方案具有較高的可靠性，能滿足1.5 P空調(diào)的各種運行工況，由于電感感量減小，成本低，具有較高的實用價值。