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空调功率因数

空调功率因数 摘 要:利用双闭环控制原理设计了较大功率交流/直流变频空调的一种有源功率因数校正(APFC)方案…

空调功率因数

摘 要:利用双闭环控制原理设计了较大功率交流/直流变频空调的一种有源功率因数校正(APFC)方案。实验结果表√%明前级PFC环节?输出?电压纹波大大降低,输入电流交越失真大为改善,满足了”3C认证”中EMC认证要求,最后给?出※了部分?实验结果。

?关键字:平均电流控制,有源功率因数校正?,变频空调,3C认证

Abstr?act: An active power? factor control (A?PFC) scheme for high power AC and DC invermt?er air conditi$oner ?=is implemented with BOOST C﹥CM averaged c¤urr?ent mode control. Its voltage l?oop and ﹢cu?rrent loop control c﹢ircuit is mainly designed. Experimental results prove that the output ripple voltage is reduced and the input current cr?ossover distortion is restrained greatly, which meet the ?EMC cond≮itions oi=n the “∏China Compulsory Certification”. Finally, some experimental waves are? also given a?s proofs.

Keyw?ords:Average Current Control , A≒PFC,Inverter Air?C§£ON,3C Cert?ification

1 引言

  目∠前市场上销售的交流、直流变频空调中,其功率前级一般㎎都采用二极管∣全桥整流方式,造成电网谐波污染,功率因数下降,而且产生很强的EMI,对电网和其他用电设备的安全运行造成潜在危害。由于变频空调的使?用量大面广,其≧危害更加严重,而且也不符合家用电器出口标准。鉴于我国加入?世界贸易组织,国产家电产品将面临入世的严峻挑战。为获得与国外◎同类产∟品同等的市场竞争地位,国家认监委决定在2003?年5月1?日以后对家⌒电产?品强制执行”3C认⊥证”标准。这些都迫切需要可产品化的谐波抑制和功率因数校正方案。随着微电子和电力电子技术的飞速发?展?,-用于功率因数校正(PFC)的专用芯片已经相当成熟。本文基于BOOST电路拓扑,以UC3854BN为PFC控制核心,着重分析了如℉何配置其电压环和电流环参数,并将该电路应用于变频空调中去实现其功率因数校正,使各次谐波电流含量均满足”3C认证”的EMC标准。

2 双闭环设计原理

2.1 APFC变频空调的优点 对于未采取功率因数校正的变频空调功率电路中,其AC/DC环节采用不可控全桥整流方式,结果向电网注入了高含量的谐波电流,带来了许多危害。

  因此有必要对其AC/DC环节进行功率因数校正。采用APFC后,可将变频空调向电网注入的谐波电流含量限制在最低水平,功㎏率?因数接近于1,能?够大大提高电网利用率。采用BOOST ?方案进行功率因数校正㏑的变频空调的功率级电路拓扑见图1。

  采用连续电流模式控制、平均电流控制方式的BOOST方案来实现PFC具有很多优点:(1)?输入电流连续,EMI小;(2)输入电流与输出功率范围宽;(3)结构简单,控制器容?易实现。其基?本控制结构见图2

2?.2 双闭?环的设计 APF?C电路需要引入电压和电流双闭环反馈,其目的是实现整流与稳压功能,得到较高功率因数。电压环(外环)稳定输出电压,电流环(内环)使输入电流±很好地跟踪输入电压波形。其原理描述如下: (1)通过检测整流?后的输入电压( Iac)与输出直流电压( Vsense)来实时调整功率开关的∮占空比, 使输出电压保@持稳定。(2)电流环∽的<设?计是PFC电路设计的核心。输入整流电压(Iac)、°输出电压误差放大器输出(?Vea)和前馈电压(?Vff)通过片内乘法器后3形成基准电流信?号,采样到的电感电流与㎞该基准电流进行比较后,其高频分量(开关频率20kHz)进入电流?误差放大器进行补偿、平均化处理和放大,得到的平均电流误差与锯齿波相比较决定功率开关的占空比,使占空比的变化遵循正弦规律,结果电感⊕电流能够跟随基准电流,功率因数得以提高。

2.2.1 输入电流中的三次谐波分析 三次谐波抑制是控制器㎝设计的关键。PFC控制芯片是通过乘法器的编程来得到电流基准信号(Imult)的,输入电流IL主要取决于基准电流,因此,分析输入电流的谐波失真可?转化为分析乘法器输出电流‖Imul?t的谐波。对于UC3854BN[1,2]:?

   (1)

  经过推导得:㏒

  ?其中,A1表示前馈℅电压二次谐波含量,A2表示电压误差放大器输出电压纹波含量。由式(2)可知消除输入电流中的三次谐波关键在于前?馈电压滤波环节和电压误??差放大器补偿网络的参数设计。

2.2.2 电压环设计

A . 前馈电?压滤波环节设计 该环节如图2所示。因为全桥整流后输出电压含有约?66%的二次谐波,且前馈电压滤波环?节要求瞬态响应要快,所以设计时二次谐波衰减和快响应速度×要综合考虑。采用双极点滤波(两极点频率相同)正是折衷考虑了二者关系,另外这样设计使得输×入电流与输入电压同相位。

B . 电压误差放大器补偿网″络参数设计 BOOST电路输出部分的低频响应表现为电流源驱动输出电容∩的一阶电路,其中该电流源由功率部分和㎡电流反馈环组成。为工作稳定,电压环必㏕须进行补?偿,其目的是保持输出电压稳定且高于输入电压峰值和减小?∝输入电流畸变。?为兼顾二者,必须综合考虑÷电压补偿的带宽与相位裕量。电压误差放大·器采用PI调节方式(如图2),输出电压上/的二次纹?波经PI∧调节器后得到衰减,由此可以算?出电?压放??大器的二次谐㎜波增益,由该增益值可以算出电压放大器的补偿电容。通过设定整个电压环增益为1来算出电压误差放大器≦的极点㈱频率fp(fp是电压回路的单位增益频率),再由该极点频率算出补偿网络的电阻Rvf。

2.2.?3> 电流?环参数设计 ?电流环的设计是使平均电感电流有较好的动态跟踪能力。电流环一般由电流误差放大器、PWM调制器和功率转换电路构成,其结构见图3。

  由电流放大器CA构成一个P?I调¬节器(见图2)。该电流调节器具有两个极点和一个零点的补偿网络,?其传递函数为

  PFC芯片内部规定传递函数Gpwm(s)和Gps(s),则电流环总的开环传递函数为

  (7)

  可见,它是一个二阶无差系统,可以无差地跟踪正弦波输入函数,从而使输出电流Il无?差地跟踪Imult℡的波形。主要是通过调整电流调节器的三个参数 , , 来确保电流环具有较′高的低频增益、较宽的中频带宽、合理的稳定裕量和较强的?开关纹波抑制能力的。 将补偿零点 放在主?电路的交越频率上或低于交越频率处,补偿极点 放在高于二分之一开关频率处。这?样可以尽量抑制?开关?电流纹波⊿,增大相位裕量,增强系统的暂态性?能;电流环的直流增益受R1和 控制。增大电流环的直流增益可以提高≡其穿℃越频率 ,?但纹波会随着 的提高增大,所以应限制在小于1/*2开关频率附近。

2.≥3试验参数及优化 根据上述№双闭环%设计方法,以UC?3854BN为控制芯片设计了最大输出功率达2.5kW∫的APFC方案。其中,输入电压范围Vin=150~270VAC,输出直流电∞压Vo=400VDC,开关频率22kHz,升压电感L1=?0.7¥5mH,输出端电容Co=2*330uF。得到了电压环和电流环主要参数:Rff1=810k,Rff2=43k,Rff3=10k,Cff1=22F,Cf?f2=1uF,Cvf=36k,Rvf=0.33uF,Rmo=Rci=810Ω,Rcz=16k,Ccz=〒?3000pF,Ccp=470mpF。

  使用上述参数配置的双闭环进行试验时发现以下问题:(1)系?统的带?负载能力较差,表现为随着负载的增大,输出电压下降幅度过大,?严重时使系统进入自然整流状态;(2)负载大时输入电流≠交越失真比较明显,波形正♂弦度降低,使得个别低次谐波电流含量增加。这说明∷原理性计算与实际参∪数配‰置?存在者差距,必须进行某些参数调整,通过多次试验调整方法总结如下:

  提高系统的¢带负载能力:一是在不改变前馈电压滤波效果的前提下,适当减小前馈分ml压值?Vff(选择通过增大Rff1来实现);二是适当3减小输入电压采样电阻Rac的取值。

  减少输入电流交越∥失真:(1)适当减小Ccp,以增大相?位裕量,提高穿越频率,但不宜过分减小,否则会导致系?统抑制电流纹波的 ?能力下降;(2)增大Rcz?来提高相位裕量,∵增大穿越频率,但同时减小了增益裕¥量。Ccp的减小和Rcz的增大应综合考虑。

2

  按上述方?法重新调整个别元件参数,结果获得了更?好的校正效果,?降低了输出电压纹波,减小了输入电流交越失真。

3 试验结果 ㏄在实验室?对参数调整前后?的PFC变频空£调进行了性能测?试,输入电压范围∴为?150~27≌0VAC,输出功率范围达到2.5kW以上。下面给出关于输入?电流与输出纹??波电压的部分实?验波形。

  由图?∈4(a)与图4(b)可以看出,参数调整后的输入电流?较调整前交越失﹤真得到明显改善,总的谐波失真度小于5%,这说≯明参数调整比较理想;由图6表明输出平均电压375VDC时最大纹波电压为16VmolDC,纹波电压小于5%;图7为参数调整后输入电压230VAC、输入电流9.61A时输入电流的频谱分析,∷经过测量,各次谐波电流含量均满足EMC认证要求。

  实验中还实验了更∨大的输入功率,上述参数配置仍能够支持良?好的校正效果,≤表现在输入电流波形系数很好,功率因数达到0.⊙99以上,输出直流电压纹波小于8%。

4 结论 基于双闭环设计原理来实现变频空调的有源功率因数校正,可以得到很好的功能实现?。以UC﹣3854BN为例的APFC电路使变频空调向电网注入的谐波电流大大降低,输入功?率?因数达到0.99以上,并且符﹣合国家”3C认证”关于谐波电流限值的要求。该设计原理同样也适*用于其他同类型PFC控制芯片的电路实现,具有比较广泛♀的应用价值。


参考?文献

[1] Phlip C. TODD. UC3854 Cμontrolled Power≈ Factor ∶1Corr?ection ?Circuit Design. Unitrode Application Note,1999∑:3-269~3-288

[2] 张占松,蔡宣三. 开?关电源的原理和设计,电子工业出版社,1998年+


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