不同PFC技術(shù)在空調(diào)機(jī)組上的應(yīng)用對比分析

楊 帆，劉文斌

（珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海519070）

0 引 言

隨著變頻空調(diào)的出現(xiàn)，在使用IPM技術(shù)的同時(shí)，PFC技術(shù)也逐漸被應(yīng)用，從而滿足國內(nèi)外不同標(biāo)準(zhǔn)的要求，提升市場競爭力，提高客戶滿意度。

在變頻領(lǐng)域，控制器是不可缺少的重要組成部分，隨著國家標(biāo)準(zhǔn)的提高，控制對象的復(fù)雜化，人們對安全的重視，要求控制器滿足的性能指標(biāo)也越來越多。

變頻控制器目前主要包含整流和逆變兩部分內(nèi)容，在實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程時(shí)，有源元件的使用不可避免的帶來諧波、EMI、電流沖擊、元件散熱、效率等一系列問題，而PFC技術(shù)在解決這些問題的同時(shí)，也在不斷引入問題。因此，不同的PFC方案對于控制器整體的效果有很大的影響，針對不同的輸出效果，選用正確的方案就顯得十分重要。

1 不同PFC技術(shù)的拓?fù)浞治?/h2>

PFC技術(shù)應(yīng)用已久，其拓?fù)湟矎暮唵巫兊弥饾u復(fù)雜，其控制原理方面也有很大不同，而對應(yīng)的應(yīng)用效果也在不斷的進(jìn)步。

整體的PFC技術(shù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從簡單的直流斬波電路變化而來，而直流斬波電路中包含多種電壓變換，其中包含升壓、降壓、升降壓電路原型。而在空調(diào)應(yīng)用場合，為提升輸出效果，通常為了提升母線電壓，采用升壓電路（Boost電路），因此PFC技術(shù)本身不僅僅包含功率因數(shù)校正的功能，同時(shí)還擁有升壓功能［1］。

根據(jù)輸出效果不同，多種PFC技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生：部分開關(guān)式PFC技術(shù)、無橋PFC技術(shù)、對稱式交錯(cuò)PFC技術(shù)、非對稱式交錯(cuò)PFC技術(shù)、多路交錯(cuò)式FPC技術(shù)、無橋交錯(cuò)式PFC技術(shù)、H橋技術(shù)、矩陣變頻技術(shù)等。這些PFC技術(shù)有些已經(jīng)走進(jìn)千家萬戶，有些還在研發(fā)當(dāng)中，下面的拓?fù)鋱D將會給出基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有些PFC技術(shù)其硬件拓?fù)湎嗤?，軟件控制策略不同?/p>

如圖1所示，有橋PFC與部分開關(guān)式PFC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同，也是最早采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，控制方法也相對簡單。其中對于電流采樣部分通常有RS1／RS2／RS3三個(gè)位置可以選擇，其中RS1／RS2采集電路為直流側(cè)，RS3采樣為交流側(cè)，如果有輸入電壓采樣，采樣點(diǎn)通常在X、Y位置，如果沒有采用電壓采樣，則為使用軟件算法估算。

圖1 有橋／部分開關(guān)式PFC拓?fù)?/p>

為了降低功率損耗，有些設(shè)計(jì)師將有橋PFC控制更改為部分開關(guān)控制，保證功率因數(shù)、諧波滿足認(rèn)證要求的前提下，降低開關(guān)管損耗。

如圖2所示，無橋PFC拓?fù)洳徊捎谜鳂?，而是直接將電感串接到電源輸入端，兩路開關(guān)管分別工作在電源的不同半波部分，因此每一個(gè)開關(guān)管工作時(shí)與另外一路的開關(guān)管的切換周期等于電源周期。

圖2 無橋PFC拓?fù)?/p>

如圖3所示，交錯(cuò)式PFC與有橋PFC類似，但其控制原理不同。交錯(cuò)式PFC在有橋PFC的基礎(chǔ)上并聯(lián)一路開關(guān)管，兩路開關(guān)管交替導(dǎo)通，而電壓采樣與有橋相同，都是采集在整流橋后端。

由于物料差異或者條件限制等因素，有時(shí)無法做到兩路開關(guān)電路物料參數(shù)一致，甚至電感參數(shù)相差很多的情況下，為保證電路仍然可以正常工作，同時(shí)達(dá)到預(yù)期的輸出效果，非對稱交錯(cuò)式PFC控制就顯得十分必要。對稱交錯(cuò)式與非對稱式交錯(cuò)式PFC電路的拓?fù)湎嗤?，但是電路參?shù)不同，控制方法也不相同。

圖3 對稱／非對稱交錯(cuò)式PFC拓?fù)?/p>

如圖4所示，無橋交錯(cuò)式PFC拓?fù)渑c無橋PFC拓?fù)漕愃疲诮Y(jié)構(gòu)上就是兩路無橋PFC拓?fù)涞寞B加，其元件倍數(shù)是無橋PFC元件的兩倍，之所以又被稱為交錯(cuò)式的原因是兩路無橋PFC拓?fù)?，按照控制頻率交替導(dǎo)通，與交錯(cuò)式PFC有異曲同工之妙。

圖4 無橋交錯(cuò)式PFC拓?fù)?/p>

如圖5所示，H橋PFC結(jié)構(gòu)與一般的整流橋結(jié)構(gòu)相似，其不同點(diǎn)在于H橋前段需要增加電感，四個(gè)普通整流二極管被更換為高速開關(guān)管。這種拓?fù)錇橥耆珜ΨQ結(jié)構(gòu)，因此既可以工作在整流狀態(tài)，也可以工作在逆變狀態(tài)，隨著新能源的推廣應(yīng)用，這種電路越來越多的被應(yīng)用到中、大型功率設(shè)備上面。

圖5 H橋PFC拓?fù)?/p>

如圖6所示，單相矩陣變頻拓?fù)渑c以上PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都不相同，以上PFC拓?fù)鋺?yīng)用在感性負(fù)載時(shí)，都屬于“交—直—交”的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而矩陣變頻拓?fù)涫÷灾虚g直流環(huán)節(jié)，直接將交流變成交流，屬于“交—交”的結(jié)構(gòu)。

圖6 單相矩陣變頻拓?fù)?/p>

2 不同PFC控制原理的分析

對于不同PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對應(yīng)的控制原理也并不完全相同，從結(jié)構(gòu)上來講，其結(jié)構(gòu)簡單，控制也相對簡單，但無論哪種控制方法，都可以達(dá)到設(shè)計(jì)師想要的波形輸出效果，都可以解決功率因數(shù)和諧波問題。

PFC總的控制思想是通過對開關(guān)管的開通關(guān)斷控制（在開通時(shí)電流上升，關(guān)斷時(shí)電流下降）［2］，達(dá)到控制輸入電流波形實(shí)時(shí)跟蹤輸入電壓的目的，其效果如圖7所示。

圖7 PFC控制電流波形放大圖

為了對輸入電流波形和輸出母線電壓進(jìn)行有效的控制，軟件內(nèi)部通常有兩個(gè)控制環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為電壓環(huán)，通過輸入電流、輸出電壓的反饋檢測不斷進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。其電流環(huán)和電壓環(huán)分別如圖8和圖9所示（不同PFC拓?fù)淦淇刂品绞铰杂袇^(qū)別）。

2.1 有橋／部分開關(guān)式PFC工作原理

如圖1所示，由于電感L1前端為脈動的半波整流波形，其狀態(tài)基本保持恒定，因此有橋PFC控制僅需要對單個(gè)開關(guān)管進(jìn)行連續(xù)控制，就可以達(dá)到功率跟蹤的目的。

圖8 電流控制環(huán)

圖9 電壓控制環(huán)

如果不給出PFC控制信號，其輸出波形如圖10（a）所示，增加PFC控制的輸出波形如圖10（b）所示。

為降低開關(guān)管損耗，在有橋控制基礎(chǔ)上提出部分開關(guān)式PFC控制，其控制方法就是讓輸入電壓較低的部分仍然流過電流，從而保證輸入電流波形與輸入電壓基本類似，其效果不如完全控制好，以犧牲功率因數(shù)為代價(jià)，圖11為控制示意圖。

圖10 有橋／部分開關(guān)式PFC輸出波形

2.2 無橋PFC工作原理

如圖12所示，無橋PFC拓?fù)洳粠д鳂蚪Y(jié)構(gòu)，因此其開關(guān)管工作在不同的半波周期，在輸入電壓為正半軸時(shí)，其開關(guān)管只有Q1以控制開關(guān)頻率導(dǎo)通關(guān)斷，當(dāng)進(jìn)入到另一個(gè)負(fù)半軸時(shí)，則切換到Q2管工作，依次交替工作，其交替的周期為輸入電壓周期。

圖11 部分開關(guān)式PFC驅(qū)動脈沖規(guī)律圖圖12 輸入電壓為正半軸時(shí)控制波形

圖11 部分開關(guān)式PFC驅(qū)動脈沖規(guī)律圖圖12 輸入電壓為正半軸時(shí)控制波形

對于無橋PFC軟件控制來講，其控制方法與有橋PFC控制方法相同。盡管無橋控制時(shí)開關(guān)管Q1／Q2的導(dǎo)通存在電源周期的交替工作，但是由于開關(guān)管的單相導(dǎo)通特性，同時(shí)接收到PWM控制信號時(shí)，實(shí)際上只有一個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通，因此如果采用相同的采樣方式，其有橋PFC控制軟件完全可以移植到無橋PFC控制上面，圖13為無橋PFC正半軸連續(xù)控制的PWM控制信號與電流波形。

圖13 無橋PFC控制PWM信號波形

2.3 交錯(cuò)式PFC工作原理

如圖3所示，交錯(cuò)式PFC在拓?fù)渖蠟閮蓚€(gè)有橋PFC的并聯(lián)，但其控制思想?yún)s完全不同。

交錯(cuò)式PFC工作時(shí)，采用一組導(dǎo)通為電感儲能，另外一組為后級續(xù)流的工作模式（Q1導(dǎo)通時(shí)，L1儲能，D1截止，Q2關(guān)斷，L2續(xù)流，D2導(dǎo)通），兩組開關(guān)管交替導(dǎo)通，每個(gè)開關(guān)管的導(dǎo)通頻率為開關(guān)控制頻率，兩組開關(guān)管的切換頻率也為開關(guān)控制頻率，其總的電流波形與兩個(gè)電感上的電流波形如圖14、15所示。

圖14 交錯(cuò)式PFC電流波形及電感電流

圖15 交錯(cuò)式PFC輸出效果圖

2.4 無橋交錯(cuò)式PFC工作原理

無橋交錯(cuò)式PFC結(jié)合無橋與交錯(cuò)式的特點(diǎn)于一身，對于圖4中L1／L2、L3／L4兩組分別工作在交錯(cuò)模式，而前端的電感又是直接串接于零火線當(dāng)中，沒有整流橋結(jié)構(gòu)。

在工作狀態(tài)時(shí)，當(dāng)電壓為正半軸時(shí)，Q1／Q2以控制開關(guān)頻率交替導(dǎo)通，完成儲能功能，表現(xiàn)出交錯(cuò)式PFC控制的特點(diǎn)，而當(dāng)電壓為負(fù)半軸時(shí)，Q3／Q4交替導(dǎo)通。Q1／Q2與Q3／Q4工作切換時(shí)間周期為輸入電壓周期，表現(xiàn)出無橋PFC控制的特點(diǎn)。

相對于交錯(cuò)式PFC的控制方式，對于無橋交錯(cuò)式PFC控制來講同樣適用，將交錯(cuò)式PFC控制信號給到Q1／Q2，只需要增加一組同樣的控制信號給到Q3／Q4即可。其輸出電流波形效果如圖16所示。

圖16 交錯(cuò)式PFC電流波形圖

2.5 H橋PFC工作原理

H橋PFC采用完全對稱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此既可以實(shí)現(xiàn)整流功能，又可以實(shí)現(xiàn)逆變功能，這種特性在多種電源供電方式或光伏等新能源技術(shù)并網(wǎng)方面采用較多。

H橋結(jié)構(gòu)根據(jù)功能需求工作在不同的模式下，當(dāng)處于整流狀態(tài)時(shí)，電網(wǎng)向母線充電，電流與輸入電壓同向，當(dāng)處于逆變狀態(tài)時(shí)，母線向電網(wǎng)灌電，電流與輸入電壓方向相反。

同一橋臂的開關(guān)管無論工作在整流還是逆變狀態(tài)，上下開關(guān)管都是交替工作，與給電機(jī)的逆變電路相似，圖17為整流波形，圖18為逆變波形，圖19為并網(wǎng)切換波形（負(fù)載發(fā)電），圖20為整流切換波形（負(fù)載用電）。

圖17 H橋整流波形

圖18 H橋逆變波形

圖19 H橋整流狀態(tài)切換到逆變狀態(tài)波形

圖20 H橋逆變狀態(tài)切換到整流狀態(tài)波形

2.6 矩陣變頻PFC技術(shù)的工作原理

矩陣PFC技術(shù)盡管也具有功率因數(shù)校正功能，但由于沒有母線中間環(huán)節(jié)，因此是只有負(fù)載工作時(shí)，才將電網(wǎng)能量送到負(fù)載端，同樣由于此種結(jié)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu)，也可以實(shí)現(xiàn)將能量從負(fù)載端饋送到電網(wǎng)的功能，可以實(shí)現(xiàn)雙向工作，但由于控制復(fù)雜，且不適合用在高頻重負(fù)荷負(fù)載中，僅較少應(yīng)用在低頻負(fù)載，圖21為對應(yīng)的仿真電流波形。

圖21 矩陣PFC技術(shù)輸入輸出電流波形

3 不同PFC技術(shù)的元件選型分析

不同的PFC技術(shù)，由于工作狀態(tài)不同，對于電壓、電流應(yīng)力要求也不相同。介于元件成本要求，我們希望使用的元件電壓、電流應(yīng)力越小，單體的物料成本才會更低，因此推薦使用在元件上不會產(chǎn)生高壓和大電流的PFC拓?fù)洹?/p>

對于采用PWM控制的電路，要求具有一定硬件基礎(chǔ)的電路，否則PWM調(diào)制技術(shù)將無法應(yīng)用，其中電感和電容都屬于慣性元件，并且在PFC技術(shù)中也屬于關(guān)鍵元件。對于開關(guān)管元件，主要取決于應(yīng)用的拓?fù)潆娐樊a(chǎn)生電壓應(yīng)力以及流過此開關(guān)管的電流應(yīng)力。

3.1 電感元件選型分析

PFC電感在電路中主要啟動升壓（矩陣PFC技術(shù)無此功能）、濾波、功率因數(shù)調(diào)節(jié)的作用，PFC電感由于工作在高頻狀態(tài)，因此選擇電感元件，而不應(yīng)該選擇電抗器元件，就是因?yàn)殡娍蛊鞲哳l特性較差，并且發(fā)熱嚴(yán)重，無法做到波形平滑，但是電抗器成本低，對成本有特殊要求時(shí)可以采用。

對于PFC電感的計(jì)算，都采用公式（1）獲得，所得電感量為總電感量，根據(jù)不同拓?fù)鋺?yīng)用，再除以應(yīng)用個(gè)數(shù)即可。

式中，LMIN為計(jì)算總電感的最小值；UOUT為額定母線電壓；UAC（min）為輸入電壓有效值的最小值；η為PFC效率；FPFC為PFC功率因數(shù)；γ為紋波系數(shù)；fGD為PFC控制開關(guān)頻率；POUT（MAX）為負(fù)載最大輸出功率。

其中電流紋波系數(shù)公式如式（2）所示，圖22為電流紋波系數(shù)波形的示意圖。

圖22 電流紋波系數(shù)示意圖

從以上公式可以得到，電感大小在一定輸出和輸入?yún)?shù)已經(jīng)被固化的條件下，與開關(guān)頻率有關(guān)，因此提高開關(guān)頻率可以有效的減小電感量大小，從而減少成本和體積。在整體電感量一定的條件下，從圖1到圖5可以得到，無橋交錯(cuò)式PFC拓?fù)潆姼袛?shù)量最多，因此從成本和體積角度考慮，應(yīng)是最優(yōu)的選擇（矩陣變頻PFC技術(shù)并不涉及升壓電感，圖6中的電感為濾波作用）。

3.2 電容元件選型分析

電容作為儲能元件，主要起到穩(wěn)定母線電壓的作用，為了保證后級逆變控制需求，母線電壓的波動應(yīng)該限制在一定范圍內(nèi)，即母線電壓紋波一定要足夠小。

母線電容總?cè)萘康拇笮∮晒剑?）決定［3］：

式中，Udc為輸出直流電壓；ΔUdc為最大輸出紋波電壓；f為電壓輸入頻率；Pout＿max為最大輸出功率。

從公式（3）得知，母線電容總大小在輸入輸出要求一定的條件下，與母線電壓高低、母線電壓紋波大小有關(guān)系，為了盡可能選用較小的容量，滿足元件電應(yīng)力的條件下，應(yīng)盡可能的升高母線電壓，選擇合理的紋波大小，從公式中也可以得知，母線電壓的選擇與拓?fù)錄]有關(guān)系。

3.3 開關(guān)管的選型分析

從以上拓?fù)涔ぷ髟砜梢缘弥煽毓芄ぷ鲿r(shí)承受的電壓最大為母線電壓，因此在開關(guān)管的電壓應(yīng)力上是相同的。

從電流角度進(jìn)行分析，由于為保證電源電流與電源電壓同步，無論采用哪種拓?fù)?，只需要保證總的電源電流相同即可，因此開關(guān)管上承受的電流并不等于電源電流。通過表1我們發(fā)現(xiàn)交錯(cuò)式PFC流過每一個(gè)開關(guān)管的最大電流更小，并且并聯(lián)路數(shù)越多，優(yōu)勢越明顯。

綜合以上關(guān)鍵元件選型，從成本、元件體積、電壓電流應(yīng)力角度，可以看出選擇無橋交錯(cuò)式PFC更具有優(yōu)勢；但是當(dāng)不斷增加并聯(lián)路數(shù)的時(shí)候，由于元件過多，反而成為弊端，因此交錯(cuò)式PFC或者無橋交錯(cuò)式PFC通常選擇三路為最佳。

表1 不同PFC技術(shù)流過開關(guān)管電流對比表

4 不同PFC技術(shù)的效率分析

控制器的效率與多種因素有關(guān)系，在元器件選型一定的條件，不同PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對于控制器效率也有很大影響，功率損耗主要體現(xiàn)在電感元件、開關(guān)管元件上面。

從公式（4）可知，元件損耗與元件本身阻抗有關(guān)，同時(shí)也與流過元件的電流關(guān)系密切，當(dāng)然，不同拓?fù)湓臄?shù)量和每個(gè)物料單個(gè)周期內(nèi)的工作時(shí)間也會對損耗產(chǎn)生影響。

式中，P損耗為每種物料總損耗；N為每種元件總個(gè)數(shù)；I為流過每個(gè)物料的電流均值；R為對應(yīng)物料的阻抗；T工作為單個(gè)周期內(nèi)的工作時(shí)間。

從表1得知，流過交錯(cuò)式PFC拓?fù)涞碾娏鞲?，因此其損耗也就更小；再仔細(xì)分析有橋和無橋結(jié)構(gòu)的工作特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)無橋PFC結(jié)構(gòu)比有橋PFC結(jié)構(gòu)參與工作的等效開關(guān)管數(shù)量更少，因此我們可以得出具有升壓功能的PFC拓?fù)渲袩o橋交錯(cuò)式PFC在效率方面更有優(yōu)勢［4］。

圖23為有橋FPC與無橋PFC效率的對比測試數(shù)據(jù)。

圖23 有橋PFC與無橋PFC效率對比

圖24 為無橋PFC與無橋交錯(cuò)式PFC效率的對比。

圖24 無橋PFC與無橋交錯(cuò)式PFC效率對比

當(dāng)然，影響效率的因素不僅僅是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，比如物料選型、不同的電壓等級也會很大程度的影響效率輸出。PFC電感對效率的影響（交錯(cuò)式PFC模式下測試數(shù)據(jù)）體現(xiàn)在圖25中。

圖25 不同電感量對效率的影響

不同輸入電壓條件下效率輸出也不相同（交錯(cuò)式PFC模式下數(shù)據(jù)），如圖26所示。

圖26 不同輸入電壓對效率的影響

矩陣變頻PFC不具有電感、電容物料，損耗僅體現(xiàn)在開關(guān)管上面，其整體效率應(yīng)該是最高的，但由于應(yīng)用范圍不同，所以不能進(jìn)行同類比較。

由于溫度對電感、電容、開關(guān)管的影響很大，因此損耗越低對元件的性能、壽命越有好處，因此整體的溫度特性與效率息息相關(guān)。

5 不同PFC技術(shù)的EMI特性分析

盡管PFC技術(shù)的應(yīng)用解決了功率因數(shù)和諧波問題，但同時(shí)又引入了EMI問題，在多次的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)否開啟PFC，對EMI測試結(jié)果大概有10 dB～20 dB的影響。引入的干擾問題必須解決，才能滿足各國認(rèn)證需求。

圖27 不同PFC測試效果圖

從圖27可以發(fā)現(xiàn)無橋PFC比有橋PFC的干擾要大，但是通過后續(xù)的EMC整改（更改濾波板參數(shù)和主板濾波參數(shù)），仍然可以解決EMI測試問題。

交錯(cuò)式PFC由于減小了電流應(yīng)力，并且在總的輸入電流波形中紋波更小，所以更具有優(yōu)勢，圖28是對交錯(cuò)式PFC母線兩端對大地的測試電壓波形，通過波形可以看出開關(guān)管存在開關(guān)毛刺，以及端點(diǎn)對大地電平的變化規(guī)律。

圖28 交錯(cuò)式PFC母線端點(diǎn)對大地波形

通過對比可以發(fā)現(xiàn)有橋PFC比無橋PFC干擾要小，但是無橋PFC在效率方面又比有橋PFC具有優(yōu)勢。EMI問題可以通過整改通過，所以整體方案上更多的應(yīng)用案例采用無橋結(jié)構(gòu)，并且由于交錯(cuò)式在元件等方面的優(yōu)勢，被更多的應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品的開發(fā)當(dāng)中。

6 結(jié) 論

總體來說，隨著電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，PFC技術(shù)不僅僅是本文提到的幾種類型，越來越多的PFC技術(shù)被提出來，其基本的拓?fù)淇赡茏兓淮?，但其軟件控制、采樣方式等都在不斷變化，這些改進(jìn)有利于PFC技術(shù)的進(jìn)步，更好的解決成本、干擾問題，實(shí)現(xiàn)效率、功率因數(shù)等性能更好的提升。

對于PFC技術(shù)的應(yīng)用還有很多，其在空調(diào)中的應(yīng)用也是越來越普及，而且這種應(yīng)用逐漸向大功率機(jī)組方向過度，對于提升人們生活水平有很大的幫助。