變頻空調(diào)圖騰柱無橋PFC技術(shù)探析

蘇立志

(廣東美的制冷設(shè)備有限公司)

變頻空調(diào)圖騰柱無橋PFC技術(shù)探析

蘇立志

(廣東美的制冷設(shè)備有限公司)

隨著社會的發(fā)展，人們對空調(diào)的舒適節(jié)能要求越來越高，變頻空調(diào)迅速普及。大量變頻空調(diào)接入電網(wǎng)，如果不控制諧波水平會對電網(wǎng)質(zhì)量造成影響，各國更是紛紛推出諧波強制標準以保護電網(wǎng)安全。因此，功率因數(shù)校正（Power Factor Correction，PFC）技術(shù)成為眾多空調(diào)或電源廠家研究的熱點，其中圖騰柱無橋PFC技術(shù)由于減少了整流橋的使用，因此對變頻空調(diào)整體效率有較大的幫助。本文介紹了圖騰柱無橋PFC的拓撲結(jié)構(gòu)，基本控制原理。最后給出了圖騰柱無橋PFC的發(fā)展方向，展望前景。

功率因數(shù)校正；Boost；圖騰柱PFC；效率

1 、引言

變頻空調(diào)控制器對空調(diào)壓縮機進行變頻調(diào)速，同時控制空調(diào)電氣系統(tǒng)的執(zhí)行動作，因此是變頻空調(diào)的重要電控部件。傳統(tǒng)的變頻空調(diào)控制器輸入端通過整流橋把交流電變成直流電，然后經(jīng)過PFC部件調(diào)整輸入電流波形，再經(jīng)過電容濾波后為IPM模塊電路或電源電路提供穩(wěn)定的直流電。傳統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可靠性高。影響輸入電流波形正弦度的PFC部件過去很多廠家采用無源的方式，此方式由于全部采用被動器件，因此可靠性高，容易實現(xiàn)，缺點是電感體積大，不具備升壓功能，制約后級壓縮機運行頻率的提高。近年來越來約多廠家采用有源PFC控制電路，其中Boost PFC電路由于結(jié)構(gòu)相對簡單，成本較低被廣泛采用[1-2]，傳統(tǒng)Boost PFC電路另外一個重要優(yōu)勢是能調(diào)節(jié)后級輸出電壓，滿足壓縮機高頻運轉(zhuǎn)需求，但是當(dāng)?shù)碗妷簳r，整流橋，開關(guān)器件和電感發(fā)熱嚴重，又帶來了變換器效率低等問題，因此各廠家近年來都基于Boost PFC原理開發(fā)各種新的拓撲結(jié)構(gòu)應(yīng)用于變頻空調(diào)上，例如為了追求更高的效率，采用了軟開關(guān)方法和交錯控制的方法[3]，使用復(fù)雜的方法PFC變換器效率的確提高不少，但仍然取消不了整流橋并使控制與結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并不是一個很實際的解決方案。

隨著電力電子器件的發(fā)展，GaN功率器件的出現(xiàn)開辟了新的篇章，極低的Qrr及低電容值[4]，使簡單有效的圖騰柱PFC功率轉(zhuǎn)換電路得以實現(xiàn)，本文不著重介紹GaN功率器件的特性，而是嘗試探討圖騰柱PFC的工作原理及其工作方式，以獲得一種高效的變頻空調(diào)功率因數(shù)校正方法。

2 、拓撲及工作原理介紹

圖1給出了圖騰柱PFC功率轉(zhuǎn)換電路拓撲結(jié)構(gòu)。（a）給出了兩個GaN和兩個慢速普通二極管構(gòu)成的變換電路，而圖（b）給出了兩個GaN和兩個MOSFET構(gòu)成的變換電路，以更進一步提高效率。實際變頻空調(diào)應(yīng)用中為了簡化控制，采取（a）的拓撲結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

PFC電感電流通過無感電阻R3采樣，控制器芯片地與無感電阻R3采樣地相連，與Q1、Q2驅(qū)動地隔離。單電阻R3及相關(guān)運算放大器構(gòu)成PFC電感電流采樣電路，電阻R5、R6、R7及相關(guān)運放組合構(gòu)成直流母線電壓差分采樣電路，電阻R1、R2及相關(guān)運放組合構(gòu)成交流輸入電壓采樣電路。該方案具有成本低、易于實現(xiàn)等顯著優(yōu)勢。為防止功率器件Q1、Q2同時導(dǎo)通造成電容放電短路，設(shè)計以電阻R4及相關(guān)運放組成的過流保護電路。

圖3所示為圖騰柱PFC控制在正半周上的工作原理圖。

1） 在電源輸入電壓正半周時：

a、功率器件Q1、Q2間斷導(dǎo)通：

Q2開通時，電感處于儲能狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)Q2的開通時間調(diào)整能量大小，同時電容C向負載放電提供能量，此時通過R3采樣獲得PFC電感電流為IL1；當(dāng)Q2關(guān)閉Q1反向?qū)ǎ涣麟娫唇o電容C充電，并釋放電感能量，此時采樣得到PFC電感電流為IL2，通過R3采樣獲得PFC電感電流。功率管Q1和Q2交替工作，在輸入電源正半周下構(gòu)成Boost PFC電路。

當(dāng)電源輸入電壓負半周時，其工作原理與正半周類似，如圖4所示。

圖1 圖騰柱PFC功率轉(zhuǎn)換電路拓撲結(jié)構(gòu)

圖2 圖騰柱PFC在變頻空調(diào)控制器上的應(yīng)用框圖

圖3 圖騰柱PFC控制在輸入電壓正半周上的工作原理圖

3 、控制策略介紹

輸入AC電壓過零的時候，以上圖騰柱PFC控制時有一個較為關(guān)鍵的問題，當(dāng)輸入電壓和工作模式處于從正半周變化到負半周的時候，功率管Q2的占空比突然從接近100%變?yōu)?%，功率管Q1占空比從0%變化到接近100%。二極管的反向恢復(fù)較慢，此時容易出現(xiàn)電壓尖峰，因此為避免該問題，當(dāng)輸入過零的時候需要實施軟啟動的策略。

圖5給給出了圖騰柱PFC的整體控制框圖，電壓環(huán)和電流環(huán)控制與傳統(tǒng)的Boost PFC變換器相同[5]，控制器輸入信號包含交流輸入電壓Vac，Vac極性，電感電流IL，輸出直流電壓Vp_n，電流環(huán)給出了升壓電路所需要的占空比，而極性決定了功率管的開關(guān)邏輯及軟啟動功能。

圖6所示為Q1和Q2開關(guān)管切換時序圖，當(dāng)輸入電壓正半周時，經(jīng)過軟啟動后Q2進入Boost PFC PWM工作模式，同樣負半周時，Q1在軟啟動后進入Boost PFC PWM工作模式。

圖4 圖騰柱PFC控制在輸入電壓正半周上的工作原理圖

圖5 圖騰柱PFC整體控制框圖

圖6 開關(guān)管開關(guān)時序圖

圖7 電路仿真波形

圖8 圖騰柱PFC與傳統(tǒng)Boost PFC效率比較

4 、系統(tǒng)仿真實現(xiàn)

基于以上提出的方法與控制策略進行仿真，圖7給出了，電感電流，輸出電壓，極性判斷及開關(guān)管PWM控制邏輯的波形，仿真結(jié)果表明系統(tǒng)穩(wěn)定，滿足預(yù)先設(shè)計要求。

同時按照以上模型，基于I合作公司開發(fā)的芯片，對比了圖騰柱控制方案（Rg=200Ω，IKA15N65F5 (650V DuoPack IGBT and Diode)）與傳統(tǒng)Boost PFC控制方案的系統(tǒng)效率，圖8所示，圖騰柱PFC方案最高效率接近98%，整體效率也比傳統(tǒng)Boost PFC控制方案高0.25%。

5 、結(jié)論

本文介紹了圖騰柱PFC拓撲結(jié)構(gòu)以及基本控制原理，提出了一種易于實現(xiàn)的控制方法，分析了實際工作中可能出現(xiàn)的電流尖峰問題以及對策，最后通過仿真及合作公司的對比數(shù)據(jù)說明了本文所介紹的方案穩(wěn)定可靠，性能優(yōu)異。隨著新一代功率半導(dǎo)體的發(fā)展，圖騰柱PFC控制方法將獲得更快的發(fā)展，具有更高的實用價值。

[1]Rossetto L, et. al. Control techniques for power factor correction converters[C]. Proceedings of the Power Electronics and Motion Control, 1994: 1310-1318.

[2] Orabi M, Ninomiya T. Analysis of PFC converter stability using energy balance theory[C]. Proceedings of the IEEE Annual Conference of the Industrial Electronics Society, 2006: 544-549.

[3] J. W. Kolar, F. Krismer, Y. Lobsiger, J. Muhlethaler, T. Nussbaumer and J. Minibock,“Extreme Efficiency Power Electronics,” 7th international conference on integrated power electronics systems (CIPS), March, 2012.

[4] Y.-F. Wu, D. Kebort, J. Guerrero, S. Yea, J. Honea, K. Shirabe and J. Kang “High-frequency GaN Diode-Free Motor Drive Inverter with Pure Sine-wave Output”, PCIM, Nuremberg Germany, May 2012.

[ 5]毛鴻, 吳兆麟. 有源功率因數(shù)校正器的控制策略綜述[ J] . 電力電子技術(shù), 2000 ,(1):58-61.

生態(tài)圈

ECOLOGY

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2016年，在一系列刺激政策的影響下，房地產(chǎn)市場出現(xiàn)明顯好轉(zhuǎn)，居民加杠桿購房，房屋銷售面積增長較快，與些同時，部分城市房價上漲過快，泡沫風(fēng)險加大。2017年，“防風(fēng)險、穩(wěn)消費”將會成為房地產(chǎn)調(diào)控的主基調(diào)，全國房地產(chǎn)市場將會出現(xiàn)回落，城市之間繼續(xù)保持分化。

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P52 首屆中國智慧家庭服務(wù)發(fā)展峰會在京舉辦

Survey of Totem Pole Bridgeless PFC Used in Inverter Air-conditioner

SU Lizhi
（GD MIDEA AIR-CONDITIONING EQUIPEMENT CO., LTD）

With the development of society, people's demand for the comfort and energy saving of air-conditioner is getting higher and higher, and the inverter air-conditioner is popularized rapidly. More and more inverter air-conditioner connected to power grid, if not control the harmonic level will affect the quality of the power grid, more countries have introduced harmonic mandatory standard to protect the power grid security. Therefore, power factor correction (PFC) technology has become the focus of many air-conditioner company and power supply company, the totem pole bridgeless PFC technology due to the reduction of the use of the rectifier bridge, so it can be helpful to the overall efficiency of the inverter air-conditioner. This paper introduces the topological structure of the totem pole bridgeless PFC, the basic control principle. Finally, the development direction of the totem pole bridgeless PFC is given.

Power factor correction; Boost; Totem Pole PFC; efficiency