空调控制器中超高频PFC技术的应用研究

马争先 叶振雄 韩东 熊军

TCL空调器（中山）有限公司 广东中山 528427

1 引言

随着电力电子技术的快速发展，日常电气设备性能不断提升，电能使用效率需随之提高，电源功率密度也需增加。Boost型PFC电路由于输入电流脉动小、EMI小、电流易控、可靠性高等特点，被广泛应用到工业领域。针对不同拓扑结构PFC进行研究，大功率情况一般采用交错式PFC，是一种基于谐振变换器和移相全桥变换器的混合调制型双路输出变换器拓扑结构，能够实现双路输出，通过软开关调节，实现两路无耦合[1-2]；图腾柱PFC电路是利用二极管的反向恢复特性，实现全电压范围软开关控制，降低开关损耗，满足高效、高功率密度要求[3-4]；无桥PFC拓扑电路是采用单周期和平均电流算法对无桥PFC硬件电路测试并对两种方法进行性能分析，在占空比预测基础上研究快速动态响应数字PFC方法，并对PFC的EMI技术进行分析[5]；另外负载端控制采用超高频启动技术，使空调快速实现冷暖，提高用户舒适性[6]。

本文基于100 kHz的载波频率，提出一种超高频Boost型PFC算法，通过仿真来验证方案可行性，通过实验验证可靠性，并在实际项目中应用，该技术能够减小电感量，提高产品竞争力。

2 Boost型PFC工作原理

Boost型PFC电路主要作用是提升母线电压、正弦输入电流。拓扑如图1所示，主要器件由电感L、二极管D、IGBT（开关管）、电容C组成。通过IGBT（开关管）的控制，实现对母线电压和输入电流的控制，达到功率因数校正和升压的目的。

图1 Boost型PFC拓展图

其中，Vdb为整流后电压，Vdc为母线电压，IL为电感电流。

3 设计要求

按照1.5 P空调能力要求，设计各项参数如下：

输入电压：85 VAC～265 VAC；

输入频率：50 Hz/60 Hz；

输出电压：380 VDC；

输出功率：2640 W；

开关频率：100 kHz；

功率因数：＞98%；

负载端压缩机选型如表1所示。

表1 压缩机电机参数

4 软件设计

根据图1，通过AD采样整流后电压Vdb、母线电压Vdc、电感电流IL，通过环路控制输出PWM波进行开关管的控制，达到电压、电流的调节。

软件设计架构如图2所示。

图2 软件控制框图

设定母线电压380 V，根据图2控制方式，电压环、电流环均通过PI控制方式进行调节。设定母线电压与实际电压的偏差作为电压环PI的输入，调节后输出结合Vdb作为电流环的给定，与实际电流IL进行比较，偏差作为电流环PI的输入，通过电流环PI调节输出占空比，最后转换为PWM波形，对开关管进行控制。电流环为控制内环，电压环为控制外环，先进行电流设计，然后进行电压环设计。

4.1 电流环S域分析与设计

图3为电流环设计框图，通过小信号建模，在一个开关周期内假定输入电压保持不变，其电流环功率级的传递函数如式（1）：

图3 电流环设计框图

其中，Vdc为母线电压，L为电感感量。

PI控制策略传递函数为式（2）：

其中，KP，KI为电流环PI参数。

采样保持函数为式（3）：

其中，Ts为采样周期。

电流环开环传递函数为式（4）：

其中，H(S)为采样保持器，KIfdb为电流标幺系数。

设计PFC载波频率为100 kHz，为保证足够带宽，取电流截止频率20 kHz，相角裕量45°，即式（5）：

4.2 压环S域分析与设计

图4为电压环设计框图，不考虑损耗情况，根据功率守恒，建立小信号建模，其电压环功率级传递函数为式（6）：

图4 电压环设计框图

其中，Vrms为输入电压有效值，Kac为AC电压和母线电压的标幺系数，Vdc为母线电压，KIfdb为电流标幺系数。

PI控制策略传递函数为式（7）：

采样保持函数为式（8）：

电压环系统开环传递函数为式（9）：

设计电压环频率为5 kHz，为保证足够带宽，截止频率100 Hz，相角裕量45°，即式（10）：

其中，KVfdb=Kac=1/500，Vrms=220 V，得出电压环PI参数：

4.3 占空比前馈

由于超高频PFC电路输入电压范围宽，很难保证在其输入电流均有较小的THD值。为解决上述问题，采用了占空比补偿技术，结合原控制策略，减小THD值，提高功率因数，其补偿算法如式（11）：

其中，dc补偿占空比，Kc为补偿系数，Vdb为整流后输入电压，Vdc为母线电压。补偿系数为工程参数，根据真实情况进行调节。

5 仿真测试

使用MATLAB中Simulink模块建立仿真模型如图5，其中控制模块如图6，其参数设计如表2。

表2 仿真参数设计

图5 仿真示意框图

图6 控制环路仿真框图

根据PI参数进行仿真并进行PI微调，仿真实验如下。

5.1 无占空比前馈仿真

Vdb、Iac、Vdc波形及电流傅里叶分析如图7所示。

图7 无前馈仿真波形及傅里叶分析

实验结果表明：母线电压Vdc：367～393 V，电压纹波26 V，电流有效值为12.12 A，满足设计要求。电流完全跟随电压，符合设计要求。电流傅里叶分析，THD=5.84%，功率因数0.98，符合设计要求。

5.2 占空比前馈仿真

Vdb、Iac、Vdc波形及电流傅里叶分析如图8所示。

图8 占空比前馈仿真波形及傅里叶分析

实验结果表明：母线电压Vdc为367～393 V，电压纹波为26 V，电流有效值为12.11 A，满足设计要求。电流完全跟随电压，符合设计要求。电流值傅里叶分析，功率因数0.98，符合设计要求。并且THD值比没有占空比前馈要小，更有利于PF值的提升。

6 实验验证

控制器设计如图9所示，采用板载高频电感250 uH，主芯片TI C2000系列主频100 MHz，包括压缩机、直流风机及IO驱动模块，其二极管、IGBT、整流桥、压机IPM均在散热器下。

图9 控制器实物图

6.1 功能验证实验

根据不同电压进行测试，测试方案与测试结果如表3所示，测试波形如图10所示，由于空调控制器功率与使用环境原因，控制器运行电流会出现限降频，所以真实电流达不到仿真时电流。

图10 不同电压电流母线波形图

表3 不同电压下测试数据

表3表明，设计满足电压要求，不同电压下母线纹波、PF值均满足设计要求，运转状态稳定。

图10中通道2蓝色为AC电压，通道1黄色为输入电流，通道3红色母线电压。85 V电压下压缩机和风机运行频率较低，母线电压调整为350 V，该电压电流波形相对较差，主要原电压太低，达到目标母线时占空比较大，电流波形出现波动，但是PF值满足设计要求，可靠性也满足要求。165 V、220 V、265 V均满足设计要求和可靠性要求。

6.2 EMI实验

220 V电压下不同电流下，有无占空比前馈下EMI实验谐波分析。

表4为60 Hz/6.1 A电流、80 Hz/7 A电流，占空比前馈，EMI谐波数据对比，包括THD值、功率因数值、20次谐波值，其中绿色为改善点，红色为效果变差点。4种测试条件下，功率因数值都满足设计要求；不同电流下，占空比前馈技术下THD值明显减小，功率因数值较高。

表4 不同电流下谐波分析

7 结论

本文主要设计并实现了超高频PFC电路，通过使用高主频芯片和优化算法，提升运算能力保证芯片资源充足。行业当前PFC载波周期低频为15～20 kHz、高频为35～40 kHz，在当前基础上通过技术突破和算法创新实现100 kHz载波的控制技术，在控制策略中增加占空比前馈技术，减小电流的谐波分量，提供功率因数。通过大量实验该方案具有较高的可靠性，能满足1.5 P空调的各种运行工况，由于电感感量减小，成本低，具有较高的实用价值。