變頻空調PFC電路IGBT控制與保護策略

文/張健能 王斌 李錫東

1 引言

隨著電子技術的發展以及對節能和舒適性要求的提高，變頻空調已經成為家用空調業的發展方向。在變頻空調電路中，主動式PFC控制電路對改善功率因數，穩定直流母線電壓發揮著重要作用。而在PFC 電路中，充當開關作用的IGBT 更是核心關鍵部件，如何對其控制并作出合理保護設計決定了控制器的工作可靠性。

2 PFC控制原理

PFC 的英文全稱為“Power Factor Correction”，意思是“功率因數校正”，作用是對輸入電流波形進行控制，使其同步輸入電壓波形。變頻空調室外控制器是一種電容輸入型電路，其電流和電壓之間的相位差會造成交換功率的損失，此時便需要PFC 電路提高功率因數。目前的PFC 有兩種，一種為被動式PFC（也稱無源PFC）和主動式PFC（也稱有源式PFC）。

被動式PFC 依靠電感補償方法使交流輸入的基波電流與電壓之間相位差減小來提高功率因數，被動式PFC 的功率因數只能達到0.7 ～0.8。

主動式PFC 則由電感電容及電子元器件組成，通過專用IC 去調整電流的波形，對電流電壓間的相位差進行補償。主動式PFC 通常可達98%以上的功率因數。

主動式PFC 電路基本結構如圖1所示，采用升壓的boost 拓撲結構，基本的思想就是把整流電路和大濾波電容分割，通過控制PFC開關管的導通使輸入電流能跟蹤輸入電壓的變化。在這個電路中，PFC 電感L 在IGBT 開關管導通時儲存能量，在開關管截止時，電感L上感應出方向相反的電壓，將導通時儲存的能量通過二極管對大濾波電容充電，輸出能量。

圖1：常規PFC 控制電路流程圖

圖2：變載頻調制頻率分布圖

3 IGBT控制與保護策略研究

3.1 變載頻控制

常規PFC 控制電路的IGBT 一般固定載頻控制，而對于實際正弦波電壓輸入，在過零位置和90°相角位置附近并不需要如此高的開關頻率，既增加了損耗，還會因為IGBT 開關脈寬時間太短，IGBT 不能完成一個完整的開關過程而產生柵鎖效應，嚴重時可導致IGBT無法關斷而過流燒毀。因此，如何降低損耗保護IGBT 且又能保證PFC 電流控制的完整性是需要解決的問題。

基于以上理論分析，本技術方案引入了變載頻的概念，如圖2所示，FO 為開關頻率，為了更好的發揮變載頻的優勢，本技術方案采用同步控制技術，在工頻電壓過零點及峰值點采用最低載頻，可以有效降低開關損耗，在工頻正弦電壓變化最大的位置采用最高頻控制，可以有效降低因斬波導致的電流紋波。

通過此算法將原來的單一載頻擴展為一個頻帶，在功率不變的情況下，展寬帶寬后可有效降低IGBT 的開關損耗，同時降低了干擾功率譜密度，進而有效降低因載頻升高帶來的EMI 問題。

圖3：電壓跌落對IGBT 控制占空比影響

圖4：AC 電壓前饋控制

3.2 電壓前饋控制

傳統的電壓環控制技術對AC 電壓的檢測判斷至少滯后1 個周期，如圖3所示，當AC電壓產生大幅度波動時，這種滯后性就會導致IGBT 開關管的開通占空比計算失誤，容易因誤導通而產生過流燒毀IGBT。

本技術方案在傳統的BOOST 結構的有源PFC 技術基礎上加入動態輸入AC 電壓前饋控制器。如圖4前饋控制器所示，AC 電壓采樣信號與DC 電壓的采樣值進行比較運算，從而實現前饋控制。本技術的關鍵之處在于：把市電電源的快速變化值輸入到Vdc 電壓的運算中，通過預判并放大AC 電壓的變化值，實現Vdc 電壓的穩定控制，PFC 控制的反應時間比現有方案顯著縮短。

采用了本技術后，當遇到電壓瞬間跌落時，PFC 電路就會迅速做出調整，當AC 電壓瞬間跌落時，PFC 電流控制立即加大輸出，維持Vdc 的穩定.整個過程IGBT 開關占空比瞬態響應特性明顯，沒有出現過流失控現象，壓縮機正常運轉。

3.3 過電壓、過電流保護策略

傳統的IGBT 保護電路主要檢測流過IGBT 的電流，觸發保護閾值后啟動關停機制。但由于過流保護具有滯后性，往往真正需要保護時會因為電流過大產生柵鎖效應而無法有效關斷IGBT，導致器件損壞。

本設計方案在現有方案上引入了電壓檢測保護設計，如圖5所示，通過檢測IGBT 前端輸入電壓，產生電壓異常時提前觸發關斷保護，可大大提高關斷IGBT 的可靠性，同時在過壓消除后立即恢復對IGBT 的開關控制，維持PFC 環路的穩定。

圖5：加入電壓檢測保護設計的IGBT 保護電路

4 總結

在變頻空調中，IGBT 的故障失效率往往排在電子元器件失效的前三位，因此在PFC控制技術中，如何在大負荷工作時仍能保證IGBT 的可靠性是業界難題。在深入理解PFC控制原理的基礎上，創新性的采用了變載頻控制技術，有效分散了IGBT 的功率密度；引入了電壓前饋控制技術，提前預判電壓變化并實時調整PWM 占空比，解決了PFC 誤導通而引起的過流問題；在瞬態保護中，增加了過電壓保護檢測，使得IGBT 在遭遇浪涌過壓時得以及時關斷保護。基于以上設計，在IGBT 遭受過大的電應力時，能有效防止IGBT 燒毀，達到保護IGBT 的目標。