雷 龍 方明占

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519060）

引 言

家用電器控制器上電源最常用的拓?fù)涫欠醇ら_(kāi)關(guān)電源，一般帶載能力在10 W到幾十瓦不等，常見(jiàn)拓?fù)涫窃诠β室驍?shù)校正后的母線取電，通過(guò)電源IC和高頻變壓器的反激拓?fù)洌瑢?shí)現(xiàn)多路的低壓輸出。 隨著數(shù)字電源技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代家電控制器電源向數(shù)字化、高頻化、小型化發(fā)展，硬件成本也顯著降低。

1 一種新型開(kāi)關(guān)電源

家電中最常見(jiàn)的電源拓?fù)潆娐啡鐖D1所示，L1、Q1、D1組 成 BOOST升 壓 型 PFC（Power Fac-tor Correction，簡(jiǎn)稱 PFC）電路，高頻變壓器T1、電源開(kāi)關(guān)管Q2（部分模擬電源IC內(nèi)置了開(kāi)關(guān)管）、整流二極管D2、D3、D4及其濾波電容C1、C2、C3組成了反激開(kāi)關(guān)電源電路。

圖1 家電電源常見(jiàn)拓?fù)?/p>

如圖2所示，在圖1拓?fù)浠A(chǔ)上改進(jìn)的一種電源電路，將PFC電感與高頻變壓器原邊電感合二為一，變壓器原邊電感兼用作PFC電感，與開(kāi)關(guān)管Q1，功率二極管D1組成BOOST型PFC電路，其中PFC電路的開(kāi)關(guān)管Q1起到反激電源中的開(kāi)關(guān)管同樣的作用，通過(guò)開(kāi)關(guān)管的高頻開(kāi)關(guān)將直流電變換為交流電，能量通過(guò)高頻變壓器T1傳輸?shù)礁边?，主控單元（MCU）通過(guò)采樣母線電壓VP、PFC電流IPFC、副邊主穩(wěn)輸出電壓VO，來(lái)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比。

圖2 一種新型電源拓?fù)?/p>

根據(jù)輸出電壓大小設(shè)計(jì)高頻變壓器的原副邊匝比，實(shí)現(xiàn)高低電壓轉(zhuǎn)換，通過(guò)副邊整流二極管和濾波電容，得到需要的低壓直流電供給各路負(fù)載。

2 理論計(jì)算

2.1 單周期PFC 數(shù)字控制系統(tǒng)[1, 2]

圖3是單周期PFC數(shù)字控制框圖，Boost型PFC電路的原理就是在整流電路和濾波電容之間增加一個(gè)Boost電路，使整流輸出沒(méi)有直接接濾波電容，采用單周期控制技術(shù)控制開(kāi)關(guān)器件的占空比，使每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)變量的平均值嚴(yán)格等于或正比于控制參考值，使電感電流最終跟隨整流后輸入電壓波形的同時(shí)保持輸出電壓穩(wěn)定。假設(shè)控制電路滿足電感電流與輸入電壓成比例且同相位，則變換器可等效為一個(gè)電阻 Re，同時(shí)滿足：

圖3 單周期PFC 數(shù)字控制框圖

式中：

Re—PFC變換器的等效電阻；

ig—電感電流瞬時(shí)值；

Ug—整流后的半波正弦輸入電壓瞬時(shí)值。

Boost型PFC變換器在一個(gè)周期內(nèi)，其輸入電壓Ug、輸出電壓Uo和開(kāi)關(guān)管占空比d的關(guān)系為：

結(jié)合（1）可以得到：Re ig =UO(1-d)，如定義 RS為PFC變換器中電流檢測(cè)電阻，則可得到

式中：

d—開(kāi)通占空比；

若關(guān)斷占空比d可以滿足上式，則可以保證電感輸入電流ig與半波正弦輸入電壓Ug一致。將轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)周期設(shè)為T，并使其數(shù)字離散化，當(dāng)電感輸入電壓的頻率遠(yuǎn)小于載波頻率時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)可認(rèn)為，電感電流和調(diào)節(jié)電壓基本保持恒定。

由于公式（5）中的Um在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的值是變化的，用計(jì)數(shù)器很難實(shí)現(xiàn)，但由于在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)Um和ig的值是固定不變的，所以可對(duì)公式（5）進(jìn)行改進(jìn)：

U2(t)通過(guò)DSP計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)U1(t)＜U2(t)時(shí)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，反之關(guān)斷。

2.2 變壓器原邊電感的計(jì)算

根據(jù)電感L與電壓V的關(guān)系:

要保證電感電流連續(xù)，PFC電感值需滿足：

式中：

Uin_min—交流輸入最小有效值；

f—IGBT開(kāi)關(guān)頻率；

ΔI—電感電流的最大紋波電流。

電感最大紋波電流ΔI與電感電流最大有效值IL_max關(guān)系：。

確定了PFC電感的最小值，只是給選型提供基本參考，具體選擇時(shí)還需考慮：①電感在最大電流時(shí)不能飽和；②考慮溫升對(duì)電感性能的影響，通常溫度升高，電感量會(huì)減?。虎蹖⑤敵龉β试O(shè)置最大，測(cè)試電感紋波，根據(jù)測(cè)試情況對(duì)電感選型進(jìn)行調(diào)整。

2.3 變壓器匝比的計(jì)算[3]

根據(jù)反激電源工作原理，當(dāng)原邊MOSFET導(dǎo)通，則副邊二極管截止，輸入電壓Vi與磁通量變化量dφ的關(guān)系式：

式中：

NP—變壓器原邊匝數(shù)；

T—周期；

D—占空比。

當(dāng)原邊MOSFET關(guān)斷，則副邊二極管導(dǎo)通，輸出電壓VO與磁通量變化量dφ的關(guān)系式：

式中：

NS—變壓器副邊匝數(shù)。

由（9）和（10）可知：

3 仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 仿真驗(yàn)證

使用PSIM軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，其中Vin=220 V/50 Hz；負(fù)載R=100 Ω；變壓器原邊電感Lp=350 uH；原邊匝數(shù)Np=60；副邊匝數(shù)Ns=9；母線輸出電壓設(shè)定VO1=350 V；變壓器副邊輸出VO2=15 V。仿真設(shè)置參數(shù)：Time step=1 us；Total time=1 s。

仿真界面如圖4，仿真結(jié)果如圖5～7。

圖4 仿真界面

圖5 淺色-輸入電流Iin（放大10倍）；深色-輸入電壓Vin

圖6 母線輸出電壓VO1

圖7 副邊輸出電壓VO2

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以 G-MatrikⅡ控制芯片為控制核心實(shí)現(xiàn)了上述電源控制系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。PFC環(huán)節(jié)采用40 kHz 的開(kāi)關(guān)頻率，變頻空調(diào)輸入電壓為220 V， 母線電壓設(shè)定為350 V，負(fù)載功率600 W左右，測(cè)試結(jié)果如圖8～10所示。

圖8 通道2-輸入電壓；通道4-輸入電流

圖9 通道2-母線電壓波形

圖10 通道3-副邊輸出電壓

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出， 采用G-MatrikⅡ控制芯片實(shí)現(xiàn)了1匹變頻空調(diào)室外機(jī)的功率因數(shù)校正與反激電源的集成控制。

4 結(jié) 論

提出一種應(yīng)用于家電的數(shù)字電源拓?fù)浼翱刂葡到y(tǒng)，采用單周期功率因數(shù)校正技術(shù)，有效抑制輸入諧波電流的同時(shí)，對(duì)直流母線電壓和開(kāi)關(guān)電源輸出還能實(shí)現(xiàn)控制，保證了運(yùn)行性能。將PFC電感與反激開(kāi)關(guān)電源中高頻變壓器的原邊合二為一，采用G-MatrikⅡ控制芯片實(shí)現(xiàn)了1匹變頻空調(diào)室外機(jī)的功率因數(shù)校正與反激電源的集成控制，減少了控制器器件，有利于PCB的小型化，可有效降低控制器成本。