一種新型的家用電器開關電源

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撲是反激開關電源，一般帶載能力在10 W到幾十瓦不等，常見拓撲是在功率因數校正后的母線取電，通過電源IC和高頻變壓器的反激拓撲，實現多路的低壓輸出。 隨著數字電源技術的進步，現代家電控制器電源向數字化、高頻化、小型化發展，硬件成本也顯著降低。

1 一種新型開關電源

家電中最常見的電源拓撲電路如圖1所示，L1、Q1、D1組 成 BOOST升 壓 型 PFC（Power Fac-tor Correction，簡稱 PFC）電路，高頻變壓器T1、電源開關管Q2（部分模擬電源IC內置了開關管）、整流二極管D2、D3、D4及其濾波電容C1、C2、C3組成了反激開關電源電路。

圖1 家電電源常見拓撲

如圖2所示，在圖1拓撲基礎上改進的一種電源電路，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，與開關管Q1，功率二極管D1組成BOOST型PFC電路，其中PFC電路的開關管Q1起到反激電源中的開關管同樣的作用，通過開關管的高頻開關將直流電變換為交流電，能量通過高頻變壓器T1傳輸到副邊，主控單元（MCU）通過采樣母線電壓VP、PFC電流IPFC、副邊主穩輸出電壓VO，來調節開關管的驅動信號占空比。

圖2 一種新型電源拓撲

根據輸出電壓大小設計高頻變壓器的原副邊匝比，實現高低電壓轉換，通過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載。

2 理論計算

2.1 單周期PFC 數字控制系統[1, 2]

圖3是單周期PFC數字控制框圖，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Boost電路，使整流輸出沒有直接接濾波電容，采用單周期控制技術控制開關器件的占空比，使每個開關周期內開關變量的平均值嚴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保持輸出電壓穩定。假設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電阻 Re，同時滿足：

圖3 單周期PFC 數字控制框圖

式中：

Re—PFC變換器的等效電阻；

ig—電感電流瞬時值；

Ug—整流后的半波正弦輸入電壓瞬時值。

Boost型PFC變換器在一個周期內，其輸入電壓Ug、輸出電壓Uo和開關管占空比d的關系為：

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

式中：

d—開通占空比；

若關斷占空比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。將轉換器的開關周期設為T，并使其數字離散化，當電感輸入電壓的頻率遠小于載波頻率時，在一個周期內可認為，電感電流和調節電壓基本保持恒定。

由于公式（5）中的Um在每個開關周期內的值是變化的，用計數器很難實現，但由于在一個開關周期內Um和ig的值是固定不變的，所以可對公式（5）進行改進：

U2(t)通過DSP計數器來實現，當U1(t)＜U2(t)時開關導通，反之關斷。

2.2 變壓器原邊電感的計算

根據電感L與電壓V的關系:

要保證電感電流連續，PFC電感值需滿足：

式中：

Uin_min—交流輸入最小有效值；

f—IGBT開關頻率；

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，具體選擇時還需考慮：①電感在最大電流時不能飽和；②考慮溫升對電感性能的影響，通常溫度升高，電感量會減小；③將輸出功率設置最大，測試電感紋波，根據測試情況對電感選型進行調整。

2.3 變壓器匝比的計算[3]

根據反激電源工作原理，當原邊MOSFET導通，則副邊二極管截止，輸入電壓Vi與磁通量變化量dφ的關系式：

式中：

NP—變壓器原邊匝數；

T—周期；

D—占空比。

當原邊MOSFET關斷，則副邊二極管導通，輸出電壓VO與磁通量變化量dφ的關系式：

式中：

NS—變壓器副邊匝數。

由（9）和（10）可知：

3 仿真及實驗驗證

3.1 仿真驗證

使用PSIM軟件進行仿真驗證，其中Vin=220 V/50 Hz；負載R=100 Ω；變壓器原邊電感Lp=350 uH；原邊匝數Np=60；副邊匝數Ns=9；母線輸出電壓設定VO1=350 V；變壓器副邊輸出VO2=15 V。仿真設置參數：Time step=1 us；Total time=1 s。

仿真界面如圖4，仿真結果如圖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 實驗驗證

以 G-MatrikⅡ控制芯片為控制核心實現了上述電源控制系統，并對其進行了實驗驗證。PFC環節采用40 kHz 的開關頻率，變頻空調輸入電壓為220 V， 母線電壓設定為350 V，負載功率600 W左右，測試結果如圖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

由以上實驗結果可以看出， 采用G-MatrikⅡ控制芯片實現了1匹變頻空調室外機的功率因數校正與反激電源的集成控制。

4 結 論

提出一種應用于家電的數字電源拓撲及控制系統，采用單周期功率因數校正技術，有效抑制輸入諧波電流的同時，對直流母線電壓和開關電源輸出還能實現控制，保證了運行性能。將PFC電感與反激開關電源中高頻變壓器的原邊合二為一，采用G-MatrikⅡ控制芯片實現了1匹變頻空調室外機的功率因數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。