基于單周期PFC的交流電壓估算方法研究

黃招彬

(廣東美的制冷設備有限公司佛山 528311)

基于單周期PFC的交流電壓估算方法研究

黃招彬

(廣東美的制冷設備有限公司佛山 528311)

在應用BOOST型功率因數(shù)校正電路的單相交流供電電器系統(tǒng)中，采用單周期控制算法比傳統(tǒng)的電壓電流雙閉環(huán)控制算法可以減少交流電壓信號采樣電路而降低系統(tǒng)成本。但是，取消掉交流電壓采樣之后就沒有交流電壓信息，無法進行系統(tǒng)功率計算、輸入交流電壓保護等功能。本文提供一種基于單周期PFC的交流電壓估計算法，在PFC開啟后進行實施交流電壓估算，并在變頻空調系統(tǒng)上進行充分的實驗驗證。

功率因數(shù)校正；單周期控制；交流電壓；電壓估算

1 、前言

在家用電器等類似系統(tǒng)中，先將自電網(wǎng)的單相交流電源，經過不可控全橋整流，然后經過功率因數(shù)校正（power factor correction, PFC）電路，輸出直流電源，給大容量電解電容和負載供電。其中，一般采用Boost型功率因數(shù)校正電路，不僅可以達到較高的功率因數(shù)，而且可以升壓輸出穩(wěn)定的直流母線電壓，從而給負載提供穩(wěn)定的直流電源。

Boost型功率因數(shù)校正的控制方法有多種，包括電壓電流雙閉環(huán)控制算法、單周期控制算法等[1-10]，其中電壓電流雙閉環(huán)控制必須有交流電壓、直流母線電壓和電流三個輸入量[8-10]，而單周期控制算法不需要使用交流電壓作為輸入量[1-7]。從功率因數(shù)校正角度來看，采用單周期控制算法，可以取消交流電壓采樣電路，從而降低系統(tǒng)成本；但是，多數(shù)電器系統(tǒng)中使用交流電壓作為輸入交流電壓保護閾值（比如輸入欠壓保護或者過壓保護）或者其他控制與計算輸入?yún)?shù)（比如功率計算），這就需要在取消交流電壓采樣電路的基礎上進行交流電壓估計。

已公開專利“CN201510091736.9電源裝置的交流電壓有效值估算方法和裝置”提供了一種交流電壓有效值估算方法，該方法通過估計交流電壓瞬時值、并在電流較小時采用估計電壓峰值計算有效值、在電流較大時采用估計電壓瞬時值計算有效值，但是該方法無法避免PFC電流斷續(xù)工作狀態(tài)下的交流電壓估計誤差、會造成估計交流電壓偏大的問題。

本文通過對功率因數(shù)校正電路的電流連續(xù)模式、電流斷續(xù)模式和電流臨界模式進行分析，提出一種新穎的交流電壓瞬時估計方法，能夠兼容電流斷續(xù)模式，提高輕載時交流電壓估計的準確性，并以美的變頻空調為實驗平臺，進行了充分的實驗驗證。

2 、交流電壓估計方法

單相交流供電的電器系統(tǒng)一般采用如圖1所示的經典BOOST型PFC電路，其電路拓撲主要包括整流橋、功率開關管、快恢復二極管、電感、電解電容、電感電流檢測單元、電解電容電壓檢測單元、控制單元等。其中，控制單元，通過檢測電感電流、電容電壓（即直流母線電壓）和輸入交流電壓、執(zhí)行電壓電流雙閉環(huán)控制算法、輸出功率開關管PWM占空比，從而實現(xiàn)功率因數(shù)校正功能。當采用單周期控制算法時，不需要檢測輸入交流電壓，根據(jù)電感電流和電容電壓，即可實現(xiàn)功率因數(shù)校正功能。本文在此基礎上，增加交流電壓估計算法，根據(jù)電容電壓、電感電流和輸出PWM占空比，實時估算交流電壓。

首先，根據(jù)PFC功率開關管的狀態(tài)，進行基本回路分析：

2.1 當PFC功率開關管開通時，電流從整流橋正端輸出、流經PFC電感與功率開關管、回到整流橋負端，電感電流呈線性上升，其電壓關系滿足

2.2 當PFC功率開關管關斷時，電流從整流橋正端輸出、流經PFC電感與快恢復二極管FRD進入電解電容和負載、再回到整流橋負端。在直流電壓Vbd高于母線電壓Vdc時，電感電流繼續(xù)上升，反之電流下降，其電壓關系滿足

圖1 單相交流供電電器系統(tǒng)的電路拓撲

圖2 （a) 電流連續(xù)模式

圖2 （b) 電流臨界模式

圖2 （c) 電流斷續(xù)模式

2.2.1 當PFC工作在電流連續(xù)模式時，如圖2(a)所示，電流在當前PWM周期內最終電流變化，滿足，那么有

2.2.2 當PFC工作在電流斷續(xù)模式時，如圖2(c)所示，電流在當前PWM周期內從零開始上升、最終下降到零，最終電流變化滿足，那么有

由于Tfall無法直接知道，故上式無法直接估算交流電壓。根據(jù)電流峰值滿足，你好 那么此時必須根據(jù)電流和電感估算交流電壓，故得到

當PFC工作在電流臨界模式時，如圖2(b)所示，電流在當前PWM周期內最終電流變化，其滿足，那么有

檢測PFC電感電流和電解電容電壓，并獲得PFC輸出占空比與PWM周期，根據(jù)電流峰值判斷PFC工作模式；如果滿足你好 ，那么PFC處于電流連續(xù)模式或者電流臨界模式，則按照式（4）估算交流電

根據(jù)上述分析，在PFC開啟時交流電壓瞬時值估算方法為：壓瞬時值；否則，PFC處于電流斷續(xù)模式，則按照式（6）估算交流電壓瞬時值。

由于本方法需要利用式（7）判斷PFC電流工作模式，故本方法在原有PFC控制基礎上增加兩個條件：①需要用到實時性較高的采樣電流，采樣滯后遠小于PWM周期；②需要使用PFC電感參數(shù)，要求電感量盡可能穩(wěn)定且準確。

3 、實驗

為驗證所述交流電壓估計方法的可行性，本文以美的牌變頻空調為實驗對象（型號KFR-26G/BP3DN1Y-LB(B2)），進行不同負載功率、不同供電電壓情況下的估計方法有效性驗證。所有信號從變頻外機電控上獲取，圖3為本實驗測試方法示意圖，其中交流電壓以電壓探頭直接檢測橋堆后端電壓得到，PFC電感電流以電流探頭直接測量得到，從控制單元輸出兩路DA信號、分別表示不考慮電流斷續(xù)模式的普通交流電壓估計方法結果和采用本文所述方法結果，同時從控制單元輸出1路IO信號、表示PFC工作的電流模式。具體地，

圖3 測試系統(tǒng)示意圖

圖4 變頻空調在220V供電壓縮機30Hz運行時測試波形

圖5 變頻空調在220V供電壓縮機60Hz運行時測試波形

圖6 變頻空調在150V供電壓縮機60Hz運行時測試波形

圖7 變頻空調在265V供電壓縮機30Hz運行時測試波形

CH1為普通方法的交流電壓估計值，100V/V；

CH2為本文所述方法的交流電壓估計值，100V/V；

CH3為實測的橋堆后交流電壓值，V/div；

CH4為實測PFC電感電流，2A/div；

CH5為PFC工作的電流模式標志，高電平為電流連續(xù)模式，低電平為電流斷續(xù)模式。

為驗證不同負載功率下的交流電壓估計方法有效性，本實驗測試了220V供電情況下壓縮機分別運行30Hz和60Hz的波形，如圖4和圖5所示。為驗證不同供電電壓情況下的交流電壓估計方法有效性，本實驗測試了150V供電壓縮機60Hz運行和265V供電壓縮機30Hz運行的波形，如圖6和圖7所示。

由圖可見，各種情況下，本文所述方法的估計結果始終與實測交流電壓貼近，而普通方法的估計結果在PFC工作電流斷續(xù)模式時明顯高于實測交流電壓。當PFC電感電流整體較小時，PFC工作電流斷續(xù)模式的時間占比長，普通方法的交流電壓估計效果更差，本文所示方法的優(yōu)勢更加明顯?？梢?，實驗結果說明本文所述估計方法在150V～265V供電范圍內不同負載下的交流電壓估計均滿足要求。

4 、結論

本文通過對功率因數(shù)校正電路的電流連續(xù)模式、電流斷續(xù)模式和電流臨界模式進行分析，提出一種新穎的交流電壓瞬時估計方法，能夠兼容電流斷續(xù)模式，提高輕載時交流電壓估計的準確性；并以美的變頻空調為實驗平臺，通過實驗結果驗證了該估計方法在150V～265V供電范圍內不同負載下的交流電壓估計有效性。

[1]毛鵬,謝少軍,許愛國,許澤剛. 單周期控制PFC變換器電流相位滯后及其補償[J]. 電工技術學報,2010,(12).

[2]朱鋒,龔春英. 單周期控制Boost PFC變換器分析與設計[J]. 電力電子技術,2007,(1).

[3]葉萍,胡鋼,張金波. 單周期控制的PFC電路切換線性模型[J]. 電機與控制學報,2007,(2).

[4]曹廣華,胡宗波,張波. 單周期控制Boost PFC變換器[J]. 電力電子技術,2005,(3).

[5]胡宗波,張波,胡少甫,鄧衛(wèi)華. Boost功率因數(shù)校正變換器單周期控制適用性的理論分析和實驗驗證[J]. 中國電機工程學報,2005,(21).

[6]陳浩龍. 基于改進型單周期控制的有源功率因數(shù)校正的研究[D]. 福州大學,2016.

[7]何光俊. 單周期控制軟件開關Boost變換器PFC技術的研究[D]. 西南交通大學,2012.

[8]張厚升. 基于單周期控制的高功率因數(shù)整流器的研究[D]. 西北工業(yè)大學,2005.

[9]呂焱峰. 基于單周期控制的單相高功率因數(shù)整流器的研究[D]. 西北工業(yè)大學,2006.

[10]褚衛(wèi)東. 單周期控制單相Boost結構有源功率因數(shù)校正電路的研究和應用[D]. 上海交通大學,2008.

Research on AC Voltage Estimation inSingle-Cycle ControlledPower Factor Correction Circuit

Huang Zhaobin
(Guangdong Midea Refrigeration Equipment Limited Company, Foshan, 528311)

Tn the single-phase ac power supplied electrical system application with BOOST power factor correction circuit, relative to the traditional voltage and current double closed loop control algorithm, single-cycle control algorithm can reduce the ac voltage signal sampling circuit and reduce the system cost. However, without ac voltage information, many functions are missing, such as system power calculation, input voltage protection, etc. This paper provides ac voltage estimation algorithm based on single-cycle controlled PFC, and sufficient experimental verification is carried out on the inverter-driven air conditioning system.

Power factor correction；single-cycle control；AC voltage；voltage estimation