空調控制器中超高頻PFC技術的應用研究

馬爭先 葉振雄 韓東 熊軍

TCL空調器（中山）有限公司 廣東中山 528427

1 引言

隨著電力電子技術的快速發(fā)展，日常電氣設備性能不斷提升，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，被廣泛應用到工業(yè)領域。針對不同拓撲結構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制型雙路輸出變換器拓撲結構，能夠實現雙路輸出，通過軟開關調節(jié)，實現兩路無耦合[1-2]；圖騰柱PFC電路是利用二極管的反向恢復特性，實現全電壓范圍軟開關控制，降低開關損耗，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，在占空比預測基礎上研究快速動態(tài)響應數字PFC方法，并對PFC的EMI技術進行分析[5]；另外負載端控制采用超高頻啟動技術，使空調快速實現冷暖，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，并在實際項目中應用，該技術能夠減小電感量，提高產品競爭力。

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（開關管）、電容C組成。通過IGBT（開關管）的控制，實現對母線電壓和輸入電流的控制，達到功率因數校正和升壓的目的。

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 設計要求

按照1.5 P空調能力要求，設計各項參數如下：

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；

開關頻率：100 kHz；

功率因數：＞98%；

負載端壓縮機選型如表1所示。

表1 壓縮機電機參數

4 軟件設計

根據圖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波進行開關管的控制，達到電壓、電流的調節(jié)。

軟件設計架構如圖2所示。

圖2 軟件控制框圖

設定母線電壓380 V，根據圖2控制方式，電壓環(huán)、電流環(huán)均通過PI控制方式進行調節(jié)。設定母線電壓與實際電壓的偏差作為電壓環(huán)PI的輸入，調節(jié)后輸出結合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調節(jié)輸出占空比，最后轉換為PWM波形，對開關管進行控制。電流環(huán)為控制內環(huán)，電壓環(huán)為控制外環(huán)，先進行電流設計，然后進行電壓環(huán)設計。

4.1 電流環(huán)S域分析與設計

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

圖3 電流環(huán)設計框圖

其中，Vdc為母線電壓，L為電感感量。

PI控制策略傳遞函數為式（2）：

其中，KP，KI為電流環(huán)PI參數。

采樣保持函數為式（3）：

其中，Ts為采樣周期。

電流環(huán)開環(huán)傳遞函數為式（4）：

其中，H(S)為采樣保持器，KIfdb為電流標幺系數。

設計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域分析與設計

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

圖4 電壓環(huán)設計框圖

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，Vdc為母線電壓，KIfdb為電流標幺系數。

PI控制策略傳遞函數為式（7）：

采樣保持函數為式（8）：

電壓環(huán)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數為式（9）：

設計電壓環(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：

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，結合原控制策略，減小THD值，提高功率因數，其補償算法如式（11）：

其中，dc補償占空比，Kc為補償系數，Vdb為整流后輸入電壓，Vdc為母線電壓。補償系數為工程參數，根據真實情況進行調節(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，其參數設計如表2。

表2 仿真參數設計

圖5 仿真示意框圖

圖6 控制環(huán)路仿真框圖

根據PI參數進行仿真并進行PI微調，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，滿足設計要求。電流完全跟隨電壓，符合設計要求。電流傅里葉分析，THD=5.84%，功率因數0.98，符合設計要求。

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，滿足設計要求。電流完全跟隨電壓，符合設計要求。電流值傅里葉分析，功率因數0.98，符合設計要求。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、直流風機及IO驅動模塊，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

根據不同電壓進行測試，測試方案與測試結果如表3所示，測試波形如圖10所示，由于空調控制器功率與使用環(huán)境原因，控制器運行電流會出現限降頻，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 不同電壓下測試數據

表3表明，設計滿足電壓要求，不同電壓下母線紋波、PF值均滿足設計要求，運轉狀態(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電壓下壓縮機和風機運行頻率較低，母線電壓調整為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，電流波形出現波動，但是PF值滿足設計要求，可靠性也滿足要求。165 V、220 V、265 V均滿足設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諧波數據對比，包括THD值、功率因數值、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，功率因數值都滿足設計要求；不同電流下，占空比前饋技術下THD值明顯減小，功率因數值較高。

表4 不同電流下諧波分析

7 結論

本文主要設計并實現了超高頻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，在當前基礎上通過技術突破和算法創(chuàng)新實現100 kHz載波的控制技術，在控制策略中增加占空比前饋技術，減小電流的諧波分量，提供功率因數。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。