交錯式PFC在變頻空調(diào)中的研究與應(yīng)用

陳名才

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

1 引言

隨著各種電力電子裝置在家用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，由此產(chǎn)生的電流諧波干擾污染電網(wǎng)問題日益突出，諧波干擾會給系統(tǒng)本身及電網(wǎng)使用環(huán)境帶來一系列的危害。為了抑制電力裝置產(chǎn)生的電流諧波，減少電網(wǎng)污染，國內(nèi)外均已以立法或頒布國家標準的形式限制高次諧波干擾，只有符合當?shù)叵嚓P(guān)諧波標準要求的電器產(chǎn)品才允許進入市場。目前，變頻空調(diào)抑制諧波的主流方案是在整流環(huán)節(jié)使用單相功率因數(shù)校正（PFC）電路。單相PFC電路對抑制諧波起到有效作用，但其方案也存在固有的缺點：控制器元器件規(guī)格要求高（主要是載流能力），電感體積大，整體成本高、電磁干擾問題突出，自身損耗大等，而且進一步優(yōu)化設(shè)計空間有限。在空調(diào)市場競爭日趨白熱化的大背景下，研究與應(yīng)用高性能、高效率、低成本的PFC方案，勢必會為產(chǎn)品提高不少競爭力。交錯式功率因數(shù)校正（IPFC）電路與單相PFC相比有著單路電流均值小、電感體積小以及電磁干擾較小的固有特點，只要結(jié)合元器件技術(shù)應(yīng)用及控制技術(shù)進行深入研究，完全可以研究出適用于變頻空調(diào)的高性能、高效率、低成本的PFC方案。本文將重點在Boost升壓型兩相交錯式PFC電路的基礎(chǔ)上，討論交錯式PFC在2P變頻空調(diào)上的研究方法與應(yīng)用效果。

2 交錯式PFC的原理及優(yōu)缺點

變頻空調(diào)主要應(yīng)用Boost升壓型PFC電路，其主要電路由整流器、電感、IGBT功率開關(guān)管、輸出二極管及穩(wěn)壓電容組成，通過控制IGBT的通斷使電源輸入電流IIN的波形逼近正弦波或電源輸入電壓波形，且與電源輸入電壓相位保持一致，從而減少電流諧波，提高功率因數(shù)，同時使輸出電壓高于輸入電壓，便于后級的直流電機變速控制。

單相PFC電路拓撲結(jié)構(gòu)及開關(guān)、電流波形如圖1所示。電感紋波電流△I直接加在電源輸入電流上，使得抑制EMI的措施復(fù)雜、成本高。由于輸出電容C 的輸入電流I不連續(xù)，需要增加電容容量以達到較好的穩(wěn)壓和濾波效果，同時較大的電容紋波電流也會使電容壽命、可靠性降低。

兩相交錯式PFC電路拓撲結(jié)構(gòu)及開關(guān)、電流波形如圖2所示?？梢妰上嚯娐稩GBT的工作相位相差180°，因此電源輸入電流為兩相電感電流之和I，電感總紋波電流△I為兩相電感紋波電流之和△I 。由于兩相電感工作相位相差180°，使得它們紋波電感可相互抵消，尤其是在50%占空比時抵消效果最佳，從而降低了電源輸入電流的總紋波電流△I，使得EMI措施較為簡單，同時可減少輸出電容C 的紋波電流值。另外，同等功率下流過每一相的工作電流均方值僅為單相PFC時的一半，可有效降低電感、IGBT及二極管的導(dǎo)通損耗，進而提高電源轉(zhuǎn)換效率。

在同等輸入電源、輸出功率條件下，交錯式PFC相比單相PFC，不僅在EMI方面有優(yōu)勢，同時對IGBT、二極管電流要求降低，對電感的電流及感量值要求降低，對輸出電容的容量要求降低，這均有利于降低元器件的成本及電感體積。但是，其缺點也顯而易見：交錯式PFC每增加一相拓撲，相應(yīng)的IGBT、二極管及電感的數(shù)量增加一倍，這也會增加成本及應(yīng)用復(fù)雜度（如散熱等）。

3 交錯式PFC研究與優(yōu)化

如前文所述，交錯式PFC雖在EMI、效率上會有優(yōu)勢，但成本卻可能會增加，需要結(jié)合變頻空調(diào)的工作特點對PFC方案進行更深入的分析研究，才能實現(xiàn)高性能、高效率、低成本的目標。

3.1 變頻空調(diào)的特點

首先，空調(diào)行業(yè)是高成本壓力行業(yè)之一，因此PFC方案的應(yīng)用必須具備成本優(yōu)勢，最少限度不能明顯增加成本。其次，實際應(yīng)用中變頻空調(diào)的壓縮機、風機轉(zhuǎn)速在1Hz～120Hz范圍變速工作，整體運行功率范圍非常寬，低至幾十瓦或高達幾千瓦，這就要求PFC方案既能滿足低功率下的高效率要求，又能滿足高功率下的高輸出電壓要求，以保證電機的可靠控制。最后，空調(diào)的應(yīng)用電源環(huán)境非常惡劣（尤其是國內(nèi)偏遠山區(qū)），電壓波動非常大，所以PFC方案必須保證在寬電壓范圍內(nèi)（如160V～265V）均能高效、可靠工作。下面將結(jié)合變頻空調(diào)的特點深入研究并優(yōu)化設(shè)計交錯式PFC應(yīng)用方案。

3.2 PFC工作模式

交錯式PFC工作模式主要有臨界導(dǎo)通模式（CRM）和連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）兩種。臨界導(dǎo)通模式的特點是開關(guān)管在電感電流回零時開通，優(yōu)點是電流完全跟隨電壓控制產(chǎn)生諧波小、控制原理簡單且不需涉及算法、開關(guān)頻率高電感量需求小、IGBT及二極管承受應(yīng)力小，缺點是IGBT和電感的峰值電流高、開關(guān)頻率高需開關(guān)特性好的IGBT，適合3kW以下應(yīng)用。連續(xù)導(dǎo)通模式的特點是開關(guān)管開通時電感電流不回零，優(yōu)點是開關(guān)頻率可設(shè)置、IGBT和電感的峰值電流小，缺點是控制復(fù)雜且一般涉及算法、電感量的需求較高（取決于開關(guān)頻率）、IGBT及二極管承受電應(yīng)力大，適合2kW以上應(yīng)用。

本文重點討論的2P變頻空調(diào)要求最大電輸出功率基本上在2.6kW左右，且空調(diào)大部分時間工作在1～2kW范圍內(nèi)，因此采用CRM模式的PFC電路比較合適。

3.3 控制方案設(shè)計

CRM的PFC電路開關(guān)頻率及開關(guān)實時性要求均非常高，目前家電產(chǎn)品用的DSP資源難以滿足其控制要求，所以僅能選擇專用PFC控制芯片作為核心控制部分。不過，目前的PFC控制芯片一般都是通過外圍電路設(shè)置某一固定輸出電壓值（如DC380V），在寬輸入電壓、寬功率輸出范圍內(nèi)應(yīng)用時就必須使用較高規(guī)格的元器件，以保證在最惡劣情況下可靠工作（如輸入AC160V，輸出DC380V）。其實變頻空調(diào)控制系統(tǒng)僅需要在標稱輸入電壓范圍內(nèi)保證足夠功率輸出（需維持足夠輸出電壓），而在標稱電壓范圍外，則只要保證正常的功率輸出即可，所以如簡單應(yīng)用PFC控制芯片就會間接增加方案應(yīng)用成本。因此，如何使PFC芯片也能夠?qū)崿F(xiàn)如軟件式PFC方案一樣可以靈活控制輸出電壓，是當前方案首要解決的問題。

為了解決這一難題，本文研究利用原有用于控制空調(diào)壓縮機的DSP芯片，通過DSP控制PFC芯片工作，從而間接實現(xiàn)PFC的軟件式控制，大大增加了應(yīng)用靈活性。如圖3所示，DSP根據(jù)預(yù)設(shè)軟件算法得出當前PFC輸出目標升壓值，然后控制PFC控制芯片工作狀態(tài)，進而控制PFC升壓功率模塊工作實現(xiàn)功率因數(shù)校正并輸出目標升壓值，最終實現(xiàn)了軟件硬件結(jié)合控制式PFC方案。

這樣既保證了PFC開關(guān)控制部分的高頻率、高實時性控制要求，又能通過DSP實現(xiàn)PFC輸出電壓靈活控制，這樣有利于降低器件成本、提高轉(zhuǎn)換效率的功能應(yīng)用。

3.4 電感設(shè)計選型

基于該PFC方案的工作頻率非常高、電感量要求小，可選用符合高頻特性好、材料成本低廉條件的磁芯材料，以盡量減少電感的鐵耗，從而提高整體效率。通過對目前主流應(yīng)用的磁性材料進行對比，認為鐵氧體材料完全符合以上選型條件，而且供貨渠道廣泛。具體感量選型計算方法如公式(1)：

式中：V 最小輸入電壓；η 轉(zhuǎn)換效率；f最小開關(guān)頻率；P最大輸出功率；V輸出電壓。

同時，已知兩相交錯式PFC需要兩個獨立工作的電感，為了減少磁芯材料使用、減小電感體積，降低成本，可將電感設(shè)計為共用磁芯（磁鏈基本獨立）的二合一結(jié)構(gòu)單體電感，這樣不但可減少空間占用，又節(jié)省成本，還可減少輻射干擾以簡化EMI措施。

3.5 IGBT、二極管及輸出電容選型

基于CRM交錯式PFC方案開關(guān)頻率高、零電流開通、輸出紋波電流小的特點，再結(jié)合低成本、高效率的要求，則可對相關(guān)器件進行選型。

一般情況下，IGBT或二極管的開關(guān)時間、導(dǎo)通壓降與價格成反比關(guān)系，因此，IGBT可選用開通速度一般、關(guān)斷速度快而導(dǎo)通壓降一般的管子；二極管則可選用反向恢復(fù)時間一般而低導(dǎo)通壓降的管子。另外，IGBT及二極管的耐壓、電流值選型可參照公式(2)和公式(3)：

式中：V IGBT額定耐壓；V二極管額定反向耐壓；V母線電壓。

式中：IIGBT或二極管額定最大電流；I電感最大峰值電流；P最大輸出功率；V最小輸入電壓。

輸出電容容量C則主要根據(jù)輸出功率、輸出電壓及穩(wěn)壓保持時間進行選型，具體可參照如下公式(4)：

式中：C 輸出電容容量；P輸出功率；t穩(wěn)壓保持時間；V最大輸出電壓；V最小輸出電壓。

另外，還需要在電容的最大允許紋波電流前提下進行電容壽命選型估算。一般可以根據(jù)空調(diào)的設(shè)計壽命、工作條件（主要是使用環(huán)境溫度、及輸出功率大?。┮约肮ぷ鲿r間等信息再結(jié)合電容壽命估算公式(5)進行綜合壽命估算：

式中：L 電容估算壽命；L電容最大額定工作溫度下的壽命；T電容最大額定工作溫度；T 電容實際工作溫度；△t 電容實際工作溫升；K 與紋波電流相關(guān)的溫度加速系數(shù)。

通過以上的選型原則及方法對相關(guān)器件進行較為精確的選型，則可以在確?？煽啃缘那疤嵯缕胶庑逝c成本。

4 交錯式PFC的應(yīng)用效果

下面將把研究的CRM交錯式PFC方案應(yīng)用于2P變頻空調(diào)樣機上，通過對最終樣機的實際性能、效率及成本進行對比測試分析，進而評估研究方案的實際應(yīng)用價值。

4.1 EMI

如圖4所示是應(yīng)用研究優(yōu)化后的交錯式PFC方案的樣機實測輸入電壓、電流波形，可見輸入電流與輸入電壓相位幾乎完全相同，而輸入電流波形也很好地跟隨電源輸入電壓波形。

進一步地，對樣機在輸入電壓220V、輸入電流11A、輸出功率約2500W的條件下進行諧波測試。如圖5所示，測試樣機的總諧波失真（THD）僅為8.06%，且功率因數(shù)達到了0.997，完全達到預(yù)期研究及應(yīng)用目標。

另外，通過對樣機進行斷續(xù)干擾及騷擾功率項目測試發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用CRM交錯式PFC方案的樣機傳導(dǎo)、輻射數(shù)值均比較小，反復(fù)測試穩(wěn)定。而應(yīng)用單相PFC方案的樣機傳導(dǎo)、輻射數(shù)值較高，而且反復(fù)測試不穩(wěn)定，主要是由單相PFC電路拓撲結(jié)構(gòu)及電感需使用連接線決定的。

4.2 效率

圖6是在同一空調(diào)樣機中分別測試不同PFC方案的升壓轉(zhuǎn)換效率對比數(shù)據(jù)，其中Interleaved PFC即為本文研究應(yīng)用的軟硬件結(jié)合控制CRM交錯式PFC方案，Single-phase PFC為目前主流使用的單相有源PFC方案。通過對比數(shù)據(jù)可知，軟硬件結(jié)合控制交錯式PFC效率比單相有源PFC效率整體高1%～2%，達到了預(yù)期設(shè)計應(yīng)用目標。

4.3 成本

交錯式PFC與單相PFC的應(yīng)用成本差異主要來自于電感、IGBT、二極管、輸出穩(wěn)定電解電容以及EMI濾波器件。

通過對同樣適用于2P變頻空調(diào)的交錯式PFC和單相PFC方案成本對比分析，經(jīng)研究優(yōu)化后的交錯式PFC方案新型電感成本僅為單相PFC方案使用的電抗器成本的40%左右，再對兩種電路方案涉及的PFC控制芯片、IGBT開關(guān)管、二極管、輸出電解電容及EMI濾波器件所增加或減少成本進行綜合計算，優(yōu)化后的交錯式PFC方案綜合應(yīng)用成本下降了10%～15%（僅統(tǒng)計與PFC電路相關(guān)的成本）?？芍?jīng)研究優(yōu)化后的CRM交錯式PFC方案應(yīng)用成本不但沒增加，反而下降了。

5 結(jié)論

本文詳細討論介紹了如何將兩相交錯式PFC電路方案的優(yōu)缺點與變頻空調(diào)的特點緊密結(jié)合起來，研究出高性能、高效率、低成本及適用于變頻空調(diào)的新型交錯式PFC應(yīng)用方案，并對研究方案的實際應(yīng)用效果進行了對比驗證測試。結(jié)果表明，交錯式PFC在變頻空調(diào)上應(yīng)用，不但可以改善電流諧波、功率因數(shù)，而且可以明顯提高電源升壓轉(zhuǎn)換效率并降低應(yīng)用成本，有效提高產(chǎn)品競爭力。因此，認為只要結(jié)合產(chǎn)品的工作特點對交錯式PFC方案進行深入、細致的分析、研究及優(yōu)化，完全可以做到揚長避短，使交錯式PFC在高成本壓力行業(yè)也具備廣泛應(yīng)用前景。