交错式PFC在变频空调中的研究与应用

陈名才

（珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070）

1 引言

随着各种电力电子装置在家用领域的广泛应用，由此产生的电流谐波干扰污染电网问题日益突出，谐波干扰会给系统本身及电网使用环境带来一系列的危害。为了抑制电力装置产生的电流谐波，减少电网污染，国内外均已以立法或颁布国家标准的形式限制高次谐波干扰，只有符合当地相关谐波标准要求的电器产品才允许进入市场。目前，变频空调抑制谐波的主流方案是在整流环节使用单相功率因数校正（PFC）电路。单相PFC电路对抑制谐波起到有效作用，但其方案也存在固有的缺点：控制器元器件规格要求高（主要是载流能力），电感体积大，整体成本高、电磁干扰问题突出，自身损耗大等，而且进一步优化设计空间有限。在空调市场竞争日趋白热化的大背景下，研究与应用高性能、高效率、低成本的PFC方案，势必会为产品提高不少竞争力。交错式功率因数校正（IPFC）电路与单相PFC相比有着单路电流均值小、电感体积小以及电磁干扰较小的固有特点，只要结合元器件技术应用及控制技术进行深入研究，完全可以研究出适用于变频空调的高性能、高效率、低成本的PFC方案。本文将重点在Boost升压型两相交错式PFC电路的基础上，讨论交错式PFC在2P变频空调上的研究方法与应用效果。

2 交错式PFC的原理及优缺点

变频空调主要应用Boost升压型PFC电路，其主要电路由整流器、电感、IGBT功率开关管、输出二极管及稳压电容组成，通过控制IGBT的通断使电源输入电流IIN的波形逼近正弦波或电源输入电压波形，且与电源输入电压相位保持一致，从而减少电流谐波，提高功率因数，同时使输出电压高于输入电压，便于后级的直流电机变速控制。

单相PFC电路拓扑结构及开关、电流波形如图1所示。电感纹波电流△I直接加在电源输入电流上，使得抑制EMI的措施复杂、成本高。由于输出电容C 的输入电流I不连续，需要增加电容容量以达到较好的稳压和滤波效果，同时较大的电容纹波电流也会使电容寿命、可靠性降低。

两相交错式PFC电路拓扑结构及开关、电流波形如图2所示。可见两相电路IGBT的工作相位相差180°，因此电源输入电流为两相电感电流之和I，电感总纹波电流△I为两相电感纹波电流之和△I 。由于两相电感工作相位相差180°，使得它们纹波电感可相互抵消，尤其是在50%占空比时抵消效果最佳，从而降低了电源输入电流的总纹波电流△I，使得EMI措施较为简单，同时可减少输出电容C 的纹波电流值。另外，同等功率下流过每一相的工作电流均方值仅为单相PFC时的一半，可有效降低电感、IGBT及二极管的导通损耗，进而提高电源转换效率。

在同等输入电源、输出功率条件下，交错式PFC相比单相PFC，不仅在EMI方面有优势，同时对IGBT、二极管电流要求降低，对电感的电流及感量值要求降低，对输出电容的容量要求降低，这均有利于降低元器件的成本及电感体积。但是，其缺点也显而易见：交错式PFC每增加一相拓扑，相应的IGBT、二极管及电感的数量增加一倍，这也会增加成本及应用复杂度（如散热等）。

3 交错式PFC研究与优化

如前文所述，交错式PFC虽在EMI、效率上会有优势，但成本却可能会增加，需要结合变频空调的工作特点对PFC方案进行更深入的分析研究，才能实现高性能、高效率、低成本的目标。

3.1 变频空调的特点

首先，空调行业是高成本压力行业之一，因此PFC方案的应用必须具备成本优势，最少限度不能明显增加成本。其次，实际应用中变频空调的压缩机、风机转速在1Hz～120Hz范围变速工作，整体运行功率范围非常宽，低至几十瓦或高达几千瓦，这就要求PFC方案既能满足低功率下的高效率要求，又能满足高功率下的高输出电压要求，以保证电机的可靠控制。最后，空调的应用电源环境非常恶劣（尤其是国内偏远山区），电压波动非常大，所以PFC方案必须保证在宽电压范围内（如160V～265V）均能高效、可靠工作。下面将结合变频空调的特点深入研究并优化设计交错式PFC应用方案。

3.2 PFC工作模式

交错式PFC工作模式主要有临界导通模式（CRM）和连续导通模式（CCM）两种。临界导通模式的特点是开关管在电感电流回零时开通，优点是电流完全跟随电压控制产生谐波小、控制原理简单且不需涉及算法、开关频率高电感量需求小、IGBT及二极管承受应力小，缺点是IGBT和电感的峰值电流高、开关频率高需开关特性好的IGBT，适合3kW以下应用。连续导通模式的特点是开关管开通时电感电流不回零，优点是开关频率可设置、IGBT和电感的峰值电流小，缺点是控制复杂且一般涉及算法、电感量的需求较高（取决于开关频率）、IGBT及二极管承受电应力大，适合2kW以上应用。

本文重点讨论的2P变频空调要求最大电输出功率基本上在2.6kW左右，且空调大部分时间工作在1～2kW范围内，因此采用CRM模式的PFC电路比较合适。

3.3 控制方案设计

CRM的PFC电路开关频率及开关实时性要求均非常高，目前家电产品用的DSP资源难以满足其控制要求，所以仅能选择专用PFC控制芯片作为核心控制部分。不过，目前的PFC控制芯片一般都是通过外围电路设置某一固定输出电压值（如DC380V），在宽输入电压、宽功率输出范围内应用时就必须使用较高规格的元器件，以保证在最恶劣情况下可靠工作（如输入AC160V，输出DC380V）。其实变频空调控制系统仅需要在标称输入电压范围内保证足够功率输出（需维持足够输出电压），而在标称电压范围外，则只要保证正常的功率输出即可，所以如简单应用PFC控制芯片就会间接增加方案应用成本。因此，如何使PFC芯片也能够实现如软件式PFC方案一样可以灵活控制输出电压，是当前方案首要解决的问题。

为了解决这一难题，本文研究利用原有用于控制空调压缩机的DSP芯片，通过DSP控制PFC芯片工作，从而间接实现PFC的软件式控制，大大增加了应用灵活性。如图3所示，DSP根据预设软件算法得出当前PFC输出目标升压值，然后控制PFC控制芯片工作状态，进而控制PFC升压功率模块工作实现功率因数校正并输出目标升压值，最终实现了软件硬件结合控制式PFC方案。

这样既保证了PFC开关控制部分的高频率、高实时性控制要求，又能通过DSP实现PFC输出电压灵活控制，这样有利于降低器件成本、提高转换效率的功能应用。

3.4 电感设计选型

基于该PFC方案的工作频率非常高、电感量要求小，可选用符合高频特性好、材料成本低廉条件的磁芯材料，以尽量减少电感的铁耗，从而提高整体效率。通过对目前主流应用的磁性材料进行对比，认为铁氧体材料完全符合以上选型条件，而且供货渠道广泛。具体感量选型计算方法如公式(1)：

式中：V 最小输入电压；η 转换效率；f最小开关频率；P最大输出功率；V输出电压。

同时，已知两相交错式PFC需要两个独立工作的电感，为了减少磁芯材料使用、减小电感体积，降低成本，可将电感设计为共用磁芯（磁链基本独立）的二合一结构单体电感，这样不但可减少空间占用，又节省成本，还可减少辐射干扰以简化EMI措施。

3.5 IGBT、二极管及输出电容选型

基于CRM交错式PFC方案开关频率高、零电流开通、输出纹波电流小的特点，再结合低成本、高效率的要求，则可对相关器件进行选型。

一般情况下，IGBT或二极管的开关时间、导通压降与价格成反比关系，因此，IGBT可选用开通速度一般、关断速度快而导通压降一般的管子；二极管则可选用反向恢复时间一般而低导通压降的管子。另外，IGBT及二极管的耐压、电流值选型可参照公式(2)和公式(3)：

式中：V IGBT额定耐压；V二极管额定反向耐压；V母线电压。

式中：IIGBT或二极管额定最大电流；I电感最大峰值电流；P最大输出功率；V最小输入电压。

输出电容容量C则主要根据输出功率、输出电压及稳压保持时间进行选型，具体可参照如下公式(4)：

式中：C 输出电容容量；P输出功率；t稳压保持时间；V最大输出电压；V最小输出电压。

另外，还需要在电容的最大允许纹波电流前提下进行电容寿命选型估算。一般可以根据空调的设计寿命、工作条件（主要是使用环境温度、及输出功率大小）以及工作时间等信息再结合电容寿命估算公式(5)进行综合寿命估算：

式中：L 电容估算寿命；L电容最大额定工作温度下的寿命；T电容最大额定工作温度；T 电容实际工作温度；△t 电容实际工作温升；K 与纹波电流相关的温度加速系数。

通过以上的选型原则及方法对相关器件进行较为精确的选型，则可以在确保可靠性的前提下平衡效率与成本。

4 交错式PFC的应用效果

下面将把研究的CRM交错式PFC方案应用于2P变频空调样机上，通过对最终样机的实际性能、效率及成本进行对比测试分析，进而评估研究方案的实际应用价值。

4.1 EMI

如图4所示是应用研究优化后的交错式PFC方案的样机实测输入电压、电流波形，可见输入电流与输入电压相位几乎完全相同，而输入电流波形也很好地跟随电源输入电压波形。

进一步地，对样机在输入电压220V、输入电流11A、输出功率约2500W的条件下进行谐波测试。如图5所示，测试样机的总谐波失真（THD）仅为8.06%，且功率因数达到了0.997，完全达到预期研究及应用目标。

另外，通过对样机进行断续干扰及骚扰功率项目测试发现，应用CRM交错式PFC方案的样机传导、辐射数值均比较小，反复测试稳定。而应用单相PFC方案的样机传导、辐射数值较高，而且反复测试不稳定，主要是由单相PFC电路拓扑结构及电感需使用连接线决定的。

4.2 效率

图6是在同一空调样机中分别测试不同PFC方案的升压转换效率对比数据，其中Interleaved PFC即为本文研究应用的软硬件结合控制CRM交错式PFC方案，Single-phase PFC为目前主流使用的单相有源PFC方案。通过对比数据可知，软硬件结合控制交错式PFC效率比单相有源PFC效率整体高1%～2%，达到了预期设计应用目标。

4.3 成本

交错式PFC与单相PFC的应用成本差异主要来自于电感、IGBT、二极管、输出稳定电解电容以及EMI滤波器件。

通过对同样适用于2P变频空调的交错式PFC和单相PFC方案成本对比分析，经研究优化后的交错式PFC方案新型电感成本仅为单相PFC方案使用的电抗器成本的40%左右，再对两种电路方案涉及的PFC控制芯片、IGBT开关管、二极管、输出电解电容及EMI滤波器件所增加或减少成本进行综合计算，优化后的交错式PFC方案综合应用成本下降了10%～15%（仅统计与PFC电路相关的成本）。可知，经研究优化后的CRM交错式PFC方案应用成本不但没增加，反而下降了。

5 结论

本文详细讨论介绍了如何将两相交错式PFC电路方案的优缺点与变频空调的特点紧密结合起来，研究出高性能、高效率、低成本及适用于变频空调的新型交错式PFC应用方案，并对研究方案的实际应用效果进行了对比验证测试。结果表明，交错式PFC在变频空调上应用，不但可以改善电流谐波、功率因数，而且可以明显提高电源升压转换效率并降低应用成本，有效提高产品竞争力。因此，认为只要结合产品的工作特点对交错式PFC方案进行深入、细致的分析、研究及优化，完全可以做到扬长避短，使交错式PFC在高成本压力行业也具备广泛应用前景。