变频空调中功率因数校正的控制电路设计

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

Abstract：An active power factor control (APFC) scheme for high power AC and DC inverter air conditioner is implemented with BOOST CCM averaged current mode control. Its voltage loop and current loop control circuit is mainly designed. Experimental results prove that the output ripple voltage is reduced and the input current crossover distortion is restrained greatly, which meet the EMC conditions in the "China Compulsory Certification". Finally, some experimental waves are also given as proofs.

Keywords：Average Current Control , APFC，Inverter AirCON，3C Certification

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 APFC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Imult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PI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UC3854BN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＝0.75mH，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，Cff2=1uF，Cvf=36k，Rvf=0.33uF，Rmo=Rci=810Ω，Rcz=16k，Ccz=3000pF，Ccp=470pF。

　　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，适当减小前馈分压值Vff（选择通过增大Rff1来实现）；二是适当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。

　　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150~270VAC，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16VDC，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UC3854BN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 Controlled Power Factor Correction 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