基于單周期PFC的交流電壓估算方法研究

黃招彬

(廣東美的制冷設(shè)備有限公司佛山 528311)

基于單周期PFC的交流電壓估算方法研究

黃招彬

(廣東美的制冷設(shè)備有限公司佛山 528311)

在應(yīng)用BOOST型功率因數(shù)校正電路的單相交流供電電器系統(tǒng)中，采用單周期控制算法比傳統(tǒng)的電壓電流雙閉環(huán)控制算法可以減少交流電壓信號(hào)采樣電路而降低系統(tǒng)成本。但是，取消掉交流電壓采樣之后就沒(méi)有交流電壓信息，無(wú)法進(jìn)行系統(tǒng)功率計(jì)算、輸入交流電壓保護(hù)等功能。本文提供一種基于單周期PFC的交流電壓估計(jì)算法，在PFC開(kāi)啟后進(jìn)行實(shí)施交流電壓估算，并在變頻空調(diào)系統(tǒng)上進(jìn)行充分的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

功率因數(shù)校正；單周期控制；交流電壓；電壓估算

1 、前言

在家用電器等類(lèi)似系統(tǒng)中，先將自電網(wǎng)的單相交流電源，經(jīng)過(guò)不可控全橋整流，然后經(jīng)過(guò)功率因數(shù)校正（power factor correction, PFC）電路，輸出直流電源，給大容量電解電容和負(fù)載供電。其中，一般采用Boost型功率因數(shù)校正電路，不僅可以達(dá)到較高的功率因數(shù)，而且可以升壓輸出穩(wěn)定的直流母線電壓，從而給負(fù)載提供穩(wěn)定的直流電源。

Boost型功率因數(shù)校正的控制方法有多種，包括電壓電流雙閉環(huán)控制算法、單周期控制算法等[1-10]，其中電壓電流雙閉環(huán)控制必須有交流電壓、直流母線電壓和電流三個(gè)輸入量[8-10]，而單周期控制算法不需要使用交流電壓作為輸入量[1-7]。從功率因數(shù)校正角度來(lái)看，采用單周期控制算法，可以取消交流電壓采樣電路，從而降低系統(tǒng)成本；但是，多數(shù)電器系統(tǒng)中使用交流電壓作為輸入交流電壓保護(hù)閾值（比如輸入欠壓保護(hù)或者過(guò)壓保護(hù)）或者其他控制與計(jì)算輸入?yún)?shù)（比如功率計(jì)算），這就需要在取消交流電壓采樣電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行交流電壓估計(jì)。

已公開(kāi)專(zhuān)利“CN201510091736.9電源裝置的交流電壓有效值估算方法和裝置”提供了一種交流電壓有效值估算方法，該方法通過(guò)估計(jì)交流電壓瞬時(shí)值、并在電流較小時(shí)采用估計(jì)電壓峰值計(jì)算有效值、在電流較大時(shí)采用估計(jì)電壓瞬時(shí)值計(jì)算有效值，但是該方法無(wú)法避免PFC電流斷續(xù)工作狀態(tài)下的交流電壓估計(jì)誤差、會(huì)造成估計(jì)交流電壓偏大的問(wèn)題。

本文通過(guò)對(duì)功率因數(shù)校正電路的電流連續(xù)模式、電流斷續(xù)模式和電流臨界模式進(jìn)行分析，提出一種新穎的交流電壓瞬時(shí)估計(jì)方法，能夠兼容電流斷續(xù)模式，提高輕載時(shí)交流電壓估計(jì)的準(zhǔn)確性，并以美的變頻空調(diào)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了充分的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 、交流電壓估計(jì)方法

單相交流供電的電器系統(tǒng)一般采用如圖1所示的經(jīng)典BOOST型PFC電路，其電路拓?fù)渲饕ㄕ鳂颉⒐β书_(kāi)關(guān)管、快恢復(fù)二極管、電感、電解電容、電感電流檢測(cè)單元、電解電容電壓檢測(cè)單元、控制單元等。其中，控制單元，通過(guò)檢測(cè)電感電流、電容電壓（即直流母線電壓）和輸入交流電壓、執(zhí)行電壓電流雙閉環(huán)控制算法、輸出功率開(kāi)關(guān)管PWM占空比，從而實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正功能。當(dāng)采用單周期控制算法時(shí)，不需要檢測(cè)輸入交流電壓，根據(jù)電感電流和電容電壓，即可實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正功能。本文在此基礎(chǔ)上，增加交流電壓估計(jì)算法，根據(jù)電容電壓、電感電流和輸出PWM占空比，實(shí)時(shí)估算交流電壓。

首先，根據(jù)PFC功率開(kāi)關(guān)管的狀態(tài)，進(jìn)行基本回路分析：

2.1 當(dāng)PFC功率開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)，電流從整流橋正端輸出、流經(jīng)PFC電感與功率開(kāi)關(guān)管、回到整流橋負(fù)端，電感電流呈線性上升，其電壓關(guān)系滿足

2.2 當(dāng)PFC功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電流從整流橋正端輸出、流經(jīng)PFC電感與快恢復(fù)二極管FRD進(jìn)入電解電容和負(fù)載、再回到整流橋負(fù)端。在直流電壓Vbd高于母線電壓Vdc時(shí)，電感電流繼續(xù)上升，反之電流下降，其電壓關(guān)系滿足

圖1 單相交流供電電器系統(tǒng)的電路拓?fù)?/p>

圖2 （a) 電流連續(xù)模式

圖2 （b) 電流臨界模式

圖2 （c) 電流斷續(xù)模式

2.2.1 當(dāng)PFC工作在電流連續(xù)模式時(shí)，如圖2(a)所示，電流在當(dāng)前PWM周期內(nèi)最終電流變化，滿足，那么有

2.2.2 當(dāng)PFC工作在電流斷續(xù)模式時(shí)，如圖2(c)所示，電流在當(dāng)前PWM周期內(nèi)從零開(kāi)始上升、最終下降到零，最終電流變化滿足，那么有

由于Tfall無(wú)法直接知道，故上式無(wú)法直接估算交流電壓。根據(jù)電流峰值滿足，你好 那么此時(shí)必須根據(jù)電流和電感估算交流電壓，故得到

當(dāng)PFC工作在電流臨界模式時(shí)，如圖2(b)所示，電流在當(dāng)前PWM周期內(nèi)最終電流變化，其滿足，那么有

檢測(cè)PFC電感電流和電解電容電壓，并獲得PFC輸出占空比與PWM周期，根據(jù)電流峰值判斷PFC工作模式；如果滿足你好 ，那么PFC處于電流連續(xù)模式或者電流臨界模式，則按照式（4）估算交流電

根據(jù)上述分析，在PFC開(kāi)啟時(shí)交流電壓瞬時(shí)值估算方法為：壓瞬時(shí)值；否則，PFC處于電流斷續(xù)模式，則按照式（6）估算交流電壓瞬時(shí)值。

由于本方法需要利用式（7）判斷PFC電流工作模式，故本方法在原有PFC控制基礎(chǔ)上增加兩個(gè)條件：①需要用到實(shí)時(shí)性較高的采樣電流，采樣滯后遠(yuǎn)小于PWM周期；②需要使用PFC電感參數(shù)，要求電感量盡可能穩(wěn)定且準(zhǔn)確。

3 、實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證所述交流電壓估計(jì)方法的可行性，本文以美的牌變頻空調(diào)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象（型號(hào)KFR-26G/BP3DN1Y-LB(B2)），進(jìn)行不同負(fù)載功率、不同供電電壓情況下的估計(jì)方法有效性驗(yàn)證。所有信號(hào)從變頻外機(jī)電控上獲取，圖3為本實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法示意圖，其中交流電壓以電壓探頭直接檢測(cè)橋堆后端電壓得到，PFC電感電流以電流探頭直接測(cè)量得到，從控制單元輸出兩路DA信號(hào)、分別表示不考慮電流斷續(xù)模式的普通交流電壓估計(jì)方法結(jié)果和采用本文所述方法結(jié)果，同時(shí)從控制單元輸出1路IO信號(hào)、表示PFC工作的電流模式。具體地，

圖3 測(cè)試系統(tǒng)示意圖

圖4 變頻空調(diào)在220V供電壓縮機(jī)30Hz運(yùn)行時(shí)測(cè)試波形

圖5 變頻空調(diào)在220V供電壓縮機(jī)60Hz運(yùn)行時(shí)測(cè)試波形

圖6 變頻空調(diào)在150V供電壓縮機(jī)60Hz運(yùn)行時(shí)測(cè)試波形

圖7 變頻空調(diào)在265V供電壓縮機(jī)30Hz運(yùn)行時(shí)測(cè)試波形

CH1為普通方法的交流電壓估計(jì)值，100V/V；

CH2為本文所述方法的交流電壓估計(jì)值，100V/V；

CH3為實(shí)測(cè)的橋堆后交流電壓值，V/div；

CH4為實(shí)測(cè)PFC電感電流，2A/div；

CH5為PFC工作的電流模式標(biāo)志，高電平為電流連續(xù)模式，低電平為電流斷續(xù)模式。

為驗(yàn)證不同負(fù)載功率下的交流電壓估計(jì)方法有效性，本實(shí)驗(yàn)測(cè)試了220V供電情況下壓縮機(jī)分別運(yùn)行30Hz和60Hz的波形，如圖4和圖5所示。為驗(yàn)證不同供電電壓情況下的交流電壓估計(jì)方法有效性，本實(shí)驗(yàn)測(cè)試了150V供電壓縮機(jī)60Hz運(yùn)行和265V供電壓縮機(jī)30Hz運(yùn)行的波形，如圖6和圖7所示。

由圖可見(jiàn)，各種情況下，本文所述方法的估計(jì)結(jié)果始終與實(shí)測(cè)交流電壓貼近，而普通方法的估計(jì)結(jié)果在PFC工作電流斷續(xù)模式時(shí)明顯高于實(shí)測(cè)交流電壓。當(dāng)PFC電感電流整體較小時(shí)，PFC工作電流斷續(xù)模式的時(shí)間占比長(zhǎng)，普通方法的交流電壓估計(jì)效果更差，本文所示方法的優(yōu)勢(shì)更加明顯。可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明本文所述估計(jì)方法在150V～265V供電范圍內(nèi)不同負(fù)載下的交流電壓估計(jì)均滿足要求。

4 、結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)功率因數(shù)校正電路的電流連續(xù)模式、電流斷續(xù)模式和電流臨界模式進(jìn)行分析，提出一種新穎的交流電壓瞬時(shí)估計(jì)方法，能夠兼容電流斷續(xù)模式，提高輕載時(shí)交流電壓估計(jì)的準(zhǔn)確性；并以美的變頻空調(diào)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該估計(jì)方法在150V～265V供電范圍內(nèi)不同負(fù)載下的交流電壓估計(jì)有效性。

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Research on AC Voltage Estimation inSingle-Cycle ControlledPower Factor Correction Circuit

Huang Zhaobin
(Guangdong Midea Refrigeration Equipment Limited Company, Foshan, 528311)

Tn the single-phase ac power supplied electrical system application with BOOST power factor correction circuit, relative to the traditional voltage and current double closed loop control algorithm, single-cycle control algorithm can reduce the ac voltage signal sampling circuit and reduce the system cost. However, without ac voltage information, many functions are missing, such as system power calculation, input voltage protection, etc. This paper provides ac voltage estimation algorithm based on single-cycle controlled PFC, and sufficient experimental verification is carried out on the inverter-driven air conditioning system.

Power factor correction；single-cycle control；AC voltage；voltage estimation