探究家用变频空调室外机控制器的PFC电路设计

探究家用变频空调室外机控制器的PFC电路设计

林钟文

广东美的制冷设备有限公司528311

摘要：随着变频空调器的普及和人们对节能产品的关注，越来越多的消费者更加青睐于节电性能好、温控精度高的变频空调器。目前，在家用变频空调中，PFC电路是家用变频空调室外机控制器基本的单元电路之一，根据控制电路的不同，分为无源和有源PFC两大类。本文首先对PFC进行了简要分析，并以一种家用变频空调室外机控制器的PFC电路设计为实例展开研究。

关键词：家用变频空调；室外机控制器；PFC电路设计

1.PFC电路概述

PC电源采用传统的桥式整流、电容滤波电路会使AC输入电流产生严重的波形畸变，向电网注入大量的高次谐波，因此网侧的功率因数不高，仅有0.6左右，并对电网和其它电气设备造成严重谐波污染与干扰。早在80年代初，人们已对这类装置产生的高次谐波电流所造成的危害引起了关注。经过相关研究发现，在电子电源产品中引入PFC电路，可以大大提高对电能的利用效率。PFC就是“功功率因数校正”的意思，主要用来表征电子产品对电能的利用效率，功率因数越高，说明电能的利用效率越高。PFC有两种，一种是无源PFC，一种是有源PFC。无源PFC一般采用电感补偿方法使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数，但无源PFC的功率因数不是很高，只能达到0.7~0.8；有源PFC由电感电容及电子元器件组成，体积小，可以达到很高的功率因数，但成本要高出无源PFC一些。

2.家用变频空调室外机控制器PFC电路设计分析

图1中某电路采用电压和电流双闭环反馈设计，电压环（外环）可稳定输出电压信号，电流环（内环）则可使输入电流很好地跟踪输入电压波形，以便更好的进行功率因数校正。

本系统的控制电路结构大致可分为IGBT斩波控制电路、电压过零检测电路、电压幅值采样电路、电流采样电路等几部分。

2.1IGBT斩波控制

由于应用于变频空调中的功率因数校正控制器需要长时间工作在大功率工况下。而且当功率较大时，传统APFC功率器件要承受较大的电流应力，从而造成器件选型困难，使产品成本增加，并会影响系统的稳定性。因此，为了有效提高功率因数，降低对元器件的要求及减小元器件损耗，本设计在传统APFC基础上进行了改进，从而避开了电流高峰，即采用了每个电压周期中部分斩波的斩波控制方式。相对于整个周期内全部斩波的APFC控制方式来说，采用此种新型斩波方式会在一定程度上降低功率因数校正效果，不利于高次谐波的抑制，但由于电器产品化过程中需要综合考虑效率与成本，因此，只要采用合适的斩波时序进行控制，就可以使控制效果与系统成本达到最佳的结合。本设计中IGBT的开关频率选定在16～20kHz左右。

在IGBT斩波控制中，为了能够在有效降低器件开关损耗的同时，使功率因数校正及谐波抑制都达到一个较好的效果，根据交流输入电压以及输出电压和负载变化来选择合适的开关时序就成了一个系统电路设计的关键。通过多次的仿真及试验研究，本系统采用了对输入交流电压及输出直流电压幅值进行比较来对斩波时序进行控制的设计方法。

图2所示是用PSPICE9.1进行的仿真波形。由图可见，只要设定合适的电路参数，那么，当电源交流输入电压Ui为220V时，直流输出电压Uo在290V左右略有波动。因此可通过电压幅值采样电路来取得交流输入电压和直流输出电压幅值，然后通过比较器进行比较。当输入交流电压Ui幅值大于输出直流电压Uo时，可通过斩波控制信号比较器控制IGBT停止斩波，而当输人交流电压幅值Ui小于输出直流电压Uo时，斩波重新开始。事实上，输入电压在高峰处是大于直流输出电压的，故可控制开关器件停止斩波。

2.2电压过零检测电路

为了使输入电流与输入电压保持同相位，设计时必须进行输入电压过零检测。在图1中，就是通过Rl、R2进行电压检测并将信号输入到三极管T1，当输入电压经过过零点时，三极管导通，该环节相应的输出口电平将被箝位到零，以便信号能完全输入到CPU的中断口；当输入交流电压瞬时值接近零时，三极管关断，电路向CPU中断口发出高电平信号，由CPU通过该电平转换信号对电流进行控制以使输入电流能够跟踪输入电压的变化。

2.3电压幅值采样电路

由于本系统中的IGBT斩波时序要通过交流输入电压和直流输出电压幅值进行比较来进行控制，因此，电压幅值采样电路在本电路中显得尤为重要，它将直接影响到功率因数校正及谐波抑制的效果。电压幅值检测包括输入交流电压幅值检测和输出直流电压幅值检测。本设计通过电阻R1和R2分压后对输入交流电压瞬时值进行采样，并输入CPU进行A／D转换，而直流输人电压幅值则通过电阻R3、R4分压采样后再输入CPU进行A／D转换。

2.4电流采样电路

本设计中采用了较为简单的电流采样电路，并通过电阻Rac对电流进行检测。与需要进行电流采样时，需要进行采样的电流将在外电路被转换为小电阻Rac两端的电压并被输入到CPU的A／D转换口以进行电流采样。

结束语：本文在分析了传统PFC的基础上，提出了一种新的应用于变频空调产品中的PFC控制方案，并进一步对该方案进行了仿真及试验分析，结果证明，在电流高峰时关断开关器件的新型功率因数校正方法可有效降低对开关器件的要求，减少系统损耗，其校正后的PF值达到了0.95以上。

参考文献

[1]刘斌.家用变频空调控制器的研究与FPGA设计[D].广东工业大学.2015.

[2]陈名才.交错式PFC在变频空调中的研究与应用[J].家电科技.2013.