一种新型的家用电器开关电源

雷 龙 方明占

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519060）

引 言

家用电器控制器上电源最常用的拓扑是反激开关电源，一般带载能力在10 W到几十瓦不等，常见拓扑是在功率因数校正后的母线取电，通过电源IC和高频变压器的反激拓扑，实现多路的低压输出。 随着数字电源技术的进步，现代家电控制器电源向数字化、高频化、小型化发展，硬件成本也显著降低。

1 一种新型开关电源

家电中最常见的电源拓扑电路如图1所示，L1、Q1、D1组 成 BOOST升 压 型 PFC（Power Fac-tor Correction，简称 PFC）电路，高频变压器T1、电源开关管Q2（部分模拟电源IC内置了开关管）、整流二极管D2、D3、D4及其滤波电容C1、C2、C3组成了反激开关电源电路。

图1 家电电源常见拓扑

如图2所示，在图1拓扑基础上改进的一种电源电路，将PFC电感与高频变压器原边电感合二为一，变压器原边电感兼用作PFC电感，与开关管Q1，功率二极管D1组成BOOST型PFC电路，其中PFC电路的开关管Q1起到反激电源中的开关管同样的作用，通过开关管的高频开关将直流电变换为交流电，能量通过高频变压器T1传输到副边，主控单元（MCU）通过采样母线电压VP、PFC电流IPFC、副边主稳输出电压VO，来调节开关管的驱动信号占空比。

图2 一种新型电源拓扑

根据输出电压大小设计高频变压器的原副边匝比，实现高低电压转换，通过副边整流二极管和滤波电容，得到需要的低压直流电供给各路负载。

2 理论计算

2.1 单周期PFC 数字控制系统[1, 2]

图3是单周期PFC数字控制框图，Boost型PFC电路的原理就是在整流电路和滤波电容之间增加一个Boost电路，使整流输出没有直接接滤波电容，采用单周期控制技术控制开关器件的占空比，使每个开关周期内开关变量的平均值严格等于或正比于控制参考值，使电感电流最终跟随整流后输入电压波形的同时保持输出电压稳定。假设控制电路满足电感电流与输入电压成比例且同相位，则变换器可等效为一个电阻 Re，同时满足：

图3 单周期PFC 数字控制框图

式中：

Re—PFC变换器的等效电阻；

ig—电感电流瞬时值；

Ug—整流后的半波正弦输入电压瞬时值。

Boost型PFC变换器在一个周期内，其输入电压Ug、输出电压Uo和开关管占空比d的关系为：

结合（1）可以得到：Re ig =UO(1-d)，如定义 RS为PFC变换器中电流检测电阻，则可得到

式中：

d—开通占空比；

若关断占空比d可以满足上式，则可以保证电感输入电流ig与半波正弦输入电压Ug一致。将转换器的开关周期设为T，并使其数字离散化，当电感输入电压的频率远小于载波频率时，在一个周期内可认为，电感电流和调节电压基本保持恒定。

由于公式（5）中的Um在每个开关周期内的值是变化的，用计数器很难实现，但由于在一个开关周期内Um和ig的值是固定不变的，所以可对公式（5）进行改进：

U2(t)通过DSP计数器来实现，当U1(t)＜U2(t)时开关导通，反之关断。

2.2 变压器原边电感的计算

根据电感L与电压V的关系:

要保证电感电流连续，PFC电感值需满足：

式中：

Uin_min—交流输入最小有效值；

f—IGBT开关频率；

ΔI—电感电流的最大纹波电流。

电感最大纹波电流ΔI与电感电流最大有效值IL_max关系：。

确定了PFC电感的最小值，只是给选型提供基本参考，具体选择时还需考虑：①电感在最大电流时不能饱和；②考虑温升对电感性能的影响，通常温度升高，电感量会减小；③将输出功率设置最大，测试电感纹波，根据测试情况对电感选型进行调整。

2.3 变压器匝比的计算[3]

根据反激电源工作原理，当原边MOSFET导通，则副边二极管截止，输入电压Vi与磁通量变化量dφ的关系式：

式中：

NP—变压器原边匝数；

T—周期；

D—占空比。

当原边MOSFET关断，则副边二极管导通，输出电压VO与磁通量变化量dφ的关系式：

式中：

NS—变压器副边匝数。

由（9）和（10）可知：

3 仿真及实验验证

3.1 仿真验证

使用PSIM软件进行仿真验证，其中Vin=220 V/50 Hz；负载R=100 Ω；变压器原边电感Lp=350 uH；原边匝数Np=60；副边匝数Ns=9；母线输出电压设定VO1=350 V；变压器副边输出VO2=15 V。仿真设置参数：Time step=1 us；Total time=1 s。

仿真界面如图4，仿真结果如图5～7。

图4 仿真界面

图5 浅色-输入电流Iin（放大10倍）；深色-输入电压Vin

图6 母线输出电压VO1

图7 副边输出电压VO2

3.2 实验验证

以 G-MatrikⅡ控制芯片为控制核心实现了上述电源控制系统，并对其进行了实验验证。PFC环节采用40 kHz 的开关频率，变频空调输入电压为220 V， 母线电压设定为350 V，负载功率600 W左右，测试结果如图8～10所示。

图8 通道2-输入电压；通道4-输入电流

图9 通道2-母线电压波形

图10 通道3-副边输出电压

由以上实验结果可以看出， 采用G-MatrikⅡ控制芯片实现了1匹变频空调室外机的功率因数校正与反激电源的集成控制。

4 结 论

提出一种应用于家电的数字电源拓扑及控制系统，采用单周期功率因数校正技术，有效抑制输入谐波电流的同时，对直流母线电压和开关电源输出还能实现控制，保证了运行性能。将PFC电感与反激开关电源中高频变压器的原边合二为一，采用G-MatrikⅡ控制芯片实现了1匹变频空调室外机的功率因数校正与反激电源的集成控制，减少了控制器器件，有利于PCB的小型化，可有效降低控制器成本。