不同PFC技術在空調機組上的應用對比分析

楊 帆，劉文斌

（珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海519070）

0 引 言

隨著變頻空調的出現，在使用IPM技術的同時，PFC技術也逐漸被應用，從而滿足國內外不同標準的要求，提升市場競爭力，提高客戶滿意度。

在變頻領域，控制器是不可缺少的重要組成部分，隨著國家標準的提高，控制對象的復雜化，人們對安全的重視，要求控制器滿足的性能指標也越來越多。

變頻控制器目前主要包含整流和逆變兩部分內容，在實現這個過程時，有源元件的使用不可避免的帶來諧波、EMI、電流沖擊、元件散熱、效率等一系列問題，而PFC技術在解決這些問題的同時，也在不斷引入問題。因此，不同的PFC方案對于控制器整體的效果有很大的影響，針對不同的輸出效果，選用正確的方案就顯得十分重要。

1 不同PFC技術的拓撲分析

PFC技術應用已久，其拓撲也從簡單變得逐漸復雜，其控制原理方面也有很大不同，而對應的應用效果也在不斷的進步。

整體的PFC技術的拓撲結構從簡單的直流斬波電路變化而來，而直流斬波電路中包含多種電壓變換，其中包含升壓、降壓、升降壓電路原型。而在空調應用場合，為提升輸出效果，通常為了提升母線電壓，采用升壓電路（Boost電路），因此PFC技術本身不僅僅包含功率因數校正的功能，同時還擁有升壓功能［1］。

根據輸出效果不同，多種PFC技術應運而生：部分開關式PFC技術、無橋PFC技術、對稱式交錯PFC技術、非對稱式交錯PFC技術、多路交錯式FPC技術、無橋交錯式PFC技術、H橋技術、矩陣變頻技術等。這些PFC技術有些已經走進千家萬戶，有些還在研發當中，下面的拓撲圖將會給出基本的拓撲結構，有些PFC技術其硬件拓撲相同，軟件控制策略不同。

如圖1所示，有橋PFC與部分開關式PFC的拓撲結構相同，也是最早采用的拓撲結構，整體拓撲結構簡單，控制方法也相對簡單。其中對于電流采樣部分通常有RS1／RS2／RS3三個位置可以選擇，其中RS1／RS2采集電路為直流側，RS3采樣為交流側，如果有輸入電壓采樣，采樣點通常在X、Y位置，如果沒有采用電壓采樣，則為使用軟件算法估算。

圖1 有橋／部分開關式PFC拓撲

為了降低功率損耗，有些設計師將有橋PFC控制更改為部分開關控制，保證功率因數、諧波滿足認證要求的前提下，降低開關管損耗。

如圖2所示，無橋PFC拓撲不采用整流橋，而是直接將電感串接到電源輸入端，兩路開關管分別工作在電源的不同半波部分，因此每一個開關管工作時與另外一路的開關管的切換周期等于電源周期。

圖2 無橋PFC拓撲

如圖3所示，交錯式PFC與有橋PFC類似，但其控制原理不同。交錯式PFC在有橋PFC的基礎上并聯一路開關管，兩路開關管交替導通，而電壓采樣與有橋相同，都是采集在整流橋后端。

由于物料差異或者條件限制等因素，有時無法做到兩路開關電路物料參數一致，甚至電感參數相差很多的情況下，為保證電路仍然可以正常工作，同時達到預期的輸出效果，非對稱交錯式PFC控制就顯得十分必要。對稱交錯式與非對稱式交錯式PFC電路的拓撲相同，但是電路參數不同，控制方法也不相同。

圖3 對稱／非對稱交錯式PFC拓撲

如圖4所示，無橋交錯式PFC拓撲與無橋PFC拓撲類似，在結構上就是兩路無橋PFC拓撲的疊加，其元件倍數是無橋PFC元件的兩倍，之所以又被稱為交錯式的原因是兩路無橋PFC拓撲，按照控制頻率交替導通，與交錯式PFC有異曲同工之妙。

圖4 無橋交錯式PFC拓撲

如圖5所示，H橋PFC結構與一般的整流橋結構相似，其不同點在于H橋前段需要增加電感，四個普通整流二極管被更換為高速開關管。這種拓撲為完全對稱結構，因此既可以工作在整流狀態，也可以工作在逆變狀態，隨著新能源的推廣應用，這種電路越來越多的被應用到中、大型功率設備上面。

圖5 H橋PFC拓撲

如圖6所示，單相矩陣變頻拓撲與以上PFC拓撲結構都不相同，以上PFC拓撲應用在感性負載時，都屬于“交—直—交”的拓撲結構，而矩陣變頻拓撲省略中間直流環節，直接將交流變成交流，屬于“交—交”的結構。

圖6 單相矩陣變頻拓撲

2 不同PFC控制原理的分析

對于不同PFC拓撲結構，對應的控制原理也并不完全相同，從結構上來講，其結構簡單，控制也相對簡單，但無論哪種控制方法，都可以達到設計師想要的波形輸出效果，都可以解決功率因數和諧波問題。

PFC總的控制思想是通過對開關管的開通關斷控制（在開通時電流上升，關斷時電流下降）［2］，達到控制輸入電流波形實時跟蹤輸入電壓的目的，其效果如圖7所示。

圖7 PFC控制電流波形放大圖

為了對輸入電流波形和輸出母線電壓進行有效的控制，軟件內部通常有兩個控制環，內環為電流環，外環為電壓環，通過輸入電流、輸出電壓的反饋檢測不斷進行調節控制。其電流環和電壓環分別如圖8和圖9所示（不同PFC拓撲其控制方式略有區別）。

2.1 有橋／部分開關式PFC工作原理

如圖1所示，由于電感L1前端為脈動的半波整流波形，其狀態基本保持恒定，因此有橋PFC控制僅需要對單個開關管進行連續控制，就可以達到功率跟蹤的目的。

圖8 電流控制環

圖9 電壓控制環

如果不給出PFC控制信號，其輸出波形如圖10（a）所示，增加PFC控制的輸出波形如圖10（b）所示。

為降低開關管損耗，在有橋控制基礎上提出部分開關式PFC控制，其控制方法就是讓輸入電壓較低的部分仍然流過電流，從而保證輸入電流波形與輸入電壓基本類似，其效果不如完全控制好，以犧牲功率因數為代價，圖11為控制示意圖。

圖10 有橋／部分開關式PFC輸出波形

2.2 無橋PFC工作原理

如圖12所示，無橋PFC拓撲不帶整流橋結構，因此其開關管工作在不同的半波周期，在輸入電壓為正半軸時，其開關管只有Q1以控制開關頻率導通關斷，當進入到另一個負半軸時，則切換到Q2管工作，依次交替工作，其交替的周期為輸入電壓周期。

圖11 部分開關式PFC驅動脈沖規律圖圖12 輸入電壓為正半軸時控制波形

圖11 部分開關式PFC驅動脈沖規律圖圖12 輸入電壓為正半軸時控制波形

對于無橋PFC軟件控制來講，其控制方法與有橋PFC控制方法相同。盡管無橋控制時開關管Q1／Q2的導通存在電源周期的交替工作，但是由于開關管的單相導通特性，同時接收到PWM控制信號時，實際上只有一個開關管導通，因此如果采用相同的采樣方式，其有橋PFC控制軟件完全可以移植到無橋PFC控制上面，圖13為無橋PFC正半軸連續控制的PWM控制信號與電流波形。

圖13 無橋PFC控制PWM信號波形

2.3 交錯式PFC工作原理

如圖3所示，交錯式PFC在拓撲上為兩個有橋PFC的并聯，但其控制思想卻完全不同。

交錯式PFC工作時，采用一組導通為電感儲能，另外一組為后級續流的工作模式（Q1導通時，L1儲能，D1截止，Q2關斷，L2續流，D2導通），兩組開關管交替導通，每個開關管的導通頻率為開關控制頻率，兩組開關管的切換頻率也為開關控制頻率，其總的電流波形與兩個電感上的電流波形如圖14、15所示。

圖14 交錯式PFC電流波形及電感電流

圖15 交錯式PFC輸出效果圖

2.4 無橋交錯式PFC工作原理

無橋交錯式PFC結合無橋與交錯式的特點于一身，對于圖4中L1／L2、L3／L4兩組分別工作在交錯模式，而前端的電感又是直接串接于零火線當中，沒有整流橋結構。

在工作狀態時，當電壓為正半軸時，Q1／Q2以控制開關頻率交替導通，完成儲能功能，表現出交錯式PFC控制的特點，而當電壓為負半軸時，Q3／Q4交替導通。Q1／Q2與Q3／Q4工作切換時間周期為輸入電壓周期，表現出無橋PFC控制的特點。

相對于交錯式PFC的控制方式，對于無橋交錯式PFC控制來講同樣適用，將交錯式PFC控制信號給到Q1／Q2，只需要增加一組同樣的控制信號給到Q3／Q4即可。其輸出電流波形效果如圖16所示。

圖16 交錯式PFC電流波形圖

2.5 H橋PFC工作原理

H橋PFC采用完全對稱的拓撲結構，因此既可以實現整流功能，又可以實現逆變功能，這種特性在多種電源供電方式或光伏等新能源技術并網方面采用較多。

H橋結構根據功能需求工作在不同的模式下，當處于整流狀態時，電網向母線充電，電流與輸入電壓同向，當處于逆變狀態時，母線向電網灌電，電流與輸入電壓方向相反。

同一橋臂的開關管無論工作在整流還是逆變狀態，上下開關管都是交替工作，與給電機的逆變電路相似，圖17為整流波形，圖18為逆變波形，圖19為并網切換波形（負載發電），圖20為整流切換波形（負載用電）。

圖17 H橋整流波形

圖18 H橋逆變波形

圖19 H橋整流狀態切換到逆變狀態波形

圖20 H橋逆變狀態切換到整流狀態波形

2.6 矩陣變頻PFC技術的工作原理

矩陣PFC技術盡管也具有功率因數校正功能，但由于沒有母線中間環節，因此是只有負載工作時，才將電網能量送到負載端，同樣由于此種結構為對稱結構，也可以實現將能量從負載端饋送到電網的功能，可以實現雙向工作，但由于控制復雜，且不適合用在高頻重負荷負載中，僅較少應用在低頻負載，圖21為對應的仿真電流波形。

圖21 矩陣PFC技術輸入輸出電流波形

3 不同PFC技術的元件選型分析

不同的PFC技術，由于工作狀態不同，對于電壓、電流應力要求也不相同。介于元件成本要求，我們希望使用的元件電壓、電流應力越小，單體的物料成本才會更低，因此推薦使用在元件上不會產生高壓和大電流的PFC拓撲。

對于采用PWM控制的電路，要求具有一定硬件基礎的電路，否則PWM調制技術將無法應用，其中電感和電容都屬于慣性元件，并且在PFC技術中也屬于關鍵元件。對于開關管元件，主要取決于應用的拓撲電路產生電壓應力以及流過此開關管的電流應力。

3.1 電感元件選型分析

PFC電感在電路中主要啟動升壓（矩陣PFC技術無此功能）、濾波、功率因數調節的作用，PFC電感由于工作在高頻狀態，因此選擇電感元件，而不應該選擇電抗器元件，就是因為電抗器高頻特性較差，并且發熱嚴重，無法做到波形平滑，但是電抗器成本低，對成本有特殊要求時可以采用。

對于PFC電感的計算，都采用公式（1）獲得，所得電感量為總電感量，根據不同拓撲應用，再除以應用個數即可。

式中，LMIN為計算總電感的最小值；UOUT為額定母線電壓；UAC（min）為輸入電壓有效值的最小值；η為PFC效率；FPFC為PFC功率因數；γ為紋波系數；fGD為PFC控制開關頻率；POUT（MAX）為負載最大輸出功率。

其中電流紋波系數公式如式（2）所示，圖22為電流紋波系數波形的示意圖。

圖22 電流紋波系數示意圖

從以上公式可以得到，電感大小在一定輸出和輸入參數已經被固化的條件下，與開關頻率有關，因此提高開關頻率可以有效的減小電感量大小，從而減少成本和體積。在整體電感量一定的條件下，從圖1到圖5可以得到，無橋交錯式PFC拓撲電感數量最多，因此從成本和體積角度考慮，應是最優的選擇（矩陣變頻PFC技術并不涉及升壓電感，圖6中的電感為濾波作用）。

3.2 電容元件選型分析

電容作為儲能元件，主要起到穩定母線電壓的作用，為了保證后級逆變控制需求，母線電壓的波動應該限制在一定范圍內，即母線電壓紋波一定要足夠小。

母線電容總容量的大小由公式（3）決定［3］：

式中，Udc為輸出直流電壓；ΔUdc為最大輸出紋波電壓；f為電壓輸入頻率；Pout＿max為最大輸出功率。

從公式（3）得知，母線電容總大小在輸入輸出要求一定的條件下，與母線電壓高低、母線電壓紋波大小有關系，為了盡可能選用較小的容量，滿足元件電應力的條件下，應盡可能的升高母線電壓，選擇合理的紋波大小，從公式中也可以得知，母線電壓的選擇與拓撲沒有關系。

3.3 開關管的選型分析

從以上拓撲工作原理可以得知，可控管工作時承受的電壓最大為母線電壓，因此在開關管的電壓應力上是相同的。

從電流角度進行分析，由于為保證電源電流與電源電壓同步，無論采用哪種拓撲，只需要保證總的電源電流相同即可，因此開關管上承受的電流并不等于電源電流。通過表1我們發現交錯式PFC流過每一個開關管的最大電流更小，并且并聯路數越多，優勢越明顯。

綜合以上關鍵元件選型，從成本、元件體積、電壓電流應力角度，可以看出選擇無橋交錯式PFC更具有優勢；但是當不斷增加并聯路數的時候，由于元件過多，反而成為弊端，因此交錯式PFC或者無橋交錯式PFC通常選擇三路為最佳。

表1 不同PFC技術流過開關管電流對比表

4 不同PFC技術的效率分析

控制器的效率與多種因素有關系，在元器件選型一定的條件，不同PFC拓撲結構對于控制器效率也有很大影響，功率損耗主要體現在電感元件、開關管元件上面。

從公式（4）可知，元件損耗與元件本身阻抗有關，同時也與流過元件的電流關系密切，當然，不同拓撲元件的數量和每個物料單個周期內的工作時間也會對損耗產生影響。

式中，P損耗為每種物料總損耗；N為每種元件總個數；I為流過每個物料的電流均值；R為對應物料的阻抗；T工作為單個周期內的工作時間。

從表1得知，流過交錯式PFC拓撲的電流更小，因此其損耗也就更小；再仔細分析有橋和無橋結構的工作特點，發現無橋PFC結構比有橋PFC結構參與工作的等效開關管數量更少，因此我們可以得出具有升壓功能的PFC拓撲中無橋交錯式PFC在效率方面更有優勢［4］。

圖23為有橋FPC與無橋PFC效率的對比測試數據。

圖23 有橋PFC與無橋PFC效率對比

圖24 為無橋PFC與無橋交錯式PFC效率的對比。

圖24 無橋PFC與無橋交錯式PFC效率對比

當然，影響效率的因素不僅僅是拓撲結構，比如物料選型、不同的電壓等級也會很大程度的影響效率輸出。PFC電感對效率的影響（交錯式PFC模式下測試數據）體現在圖25中。

圖25 不同電感量對效率的影響

不同輸入電壓條件下效率輸出也不相同（交錯式PFC模式下數據），如圖26所示。

圖26 不同輸入電壓對效率的影響

矩陣變頻PFC不具有電感、電容物料，損耗僅體現在開關管上面，其整體效率應該是最高的，但由于應用范圍不同，所以不能進行同類比較。

由于溫度對電感、電容、開關管的影響很大，因此損耗越低對元件的性能、壽命越有好處，因此整體的溫度特性與效率息息相關。

5 不同PFC技術的EMI特性分析

盡管PFC技術的應用解決了功率因數和諧波問題，但同時又引入了EMI問題，在多次的應用中發現否開啟PFC，對EMI測試結果大概有10 dB～20 dB的影響。引入的干擾問題必須解決，才能滿足各國認證需求。

圖27 不同PFC測試效果圖

從圖27可以發現無橋PFC比有橋PFC的干擾要大，但是通過后續的EMC整改（更改濾波板參數和主板濾波參數），仍然可以解決EMI測試問題。

交錯式PFC由于減小了電流應力，并且在總的輸入電流波形中紋波更小，所以更具有優勢，圖28是對交錯式PFC母線兩端對大地的測試電壓波形，通過波形可以看出開關管存在開關毛刺，以及端點對大地電平的變化規律。

圖28 交錯式PFC母線端點對大地波形

通過對比可以發現有橋PFC比無橋PFC干擾要小，但是無橋PFC在效率方面又比有橋PFC具有優勢。EMI問題可以通過整改通過，所以整體方案上更多的應用案例采用無橋結構，并且由于交錯式在元件等方面的優勢，被更多的應用到實際產品的開發當中。

6 結 論

總體來說，隨著電力電子技術的不斷進步，PFC技術不僅僅是本文提到的幾種類型，越來越多的PFC技術被提出來，其基本的拓撲可能變化不大，但其軟件控制、采樣方式等都在不斷變化，這些改進有利于PFC技術的進步，更好的解決成本、干擾問題，實現效率、功率因數等性能更好的提升。

對于PFC技術的應用還有很多，其在空調中的應用也是越來越普及，而且這種應用逐漸向大功率機組方向過度，對于提升人們生活水平有很大的幫助。