论文部分内容阅读
摘要：随着社会的发展，人们对空调的舒适节能要求越来越高，变频空调迅速普及。大量变频空调接入电网，如果不控制谐波水平会对电网质量造成影响，各国更是纷纷推出谐波强制標准以保护电网安全。因此，功率因数校正（Power Factor Correction，PFC）技术成为众多空调或电源厂家研究的热点，其中图腾柱无桥PFC技术由于减少了整流桥的使用，因此对变频空调整体效率有较大的帮助。本文介绍了图腾柱无桥PFC的拓扑结构，基本控制原理。最后给出了图腾柱无桥PFC的发展方向，展望前景。
关键词：功率因数校正；Boost；图腾柱PFC；效率
Survey of Totem Pole Bridgeless PFC Used in Inverter Air-conditioner
SU Lizhi（GD MIDEA AIR-CONDITIONING EQUIPEMENT CO.， LTD）
Abstract：With the development of society， people’s demand for the comfort and energy saving of air-conditioner is getting higher and higher， and the inverter air-conditioner is popularized rapidly. More and more inverter air-conditioner connected to power grid， if not control the harmonic level will affect the quality of the power grid， more countries have introduced harmonic mandatory standard to protect the power grid security. Therefore， power factor correction （PFC） technology has become the focus of many air-conditioner company and power supply company， the totem pole bridgeless PFC technology due to the reduction of the use of the rectifier bridge， so it can be helpful to the overall efficiency of the inverter air-conditioner. This paper introduces the topological structure of the totem pole bridgeless PFC， the basic control principle. Finally， the development direction of the totem pole bridgeless PFC is given.
Keywords：Power factor correction； Boost； Totem Pole PFC； efficiency
1、引言
变频空调控制器对空调压缩机进行变频调速，同时控制空调电气系统的执行动作，因此是变频空调的重要电控部件。传统的变频空调控制器输入端通过整流桥把交流电变成直流电，然后经过PFC部件调整输入电流波形，再经过电容滤波后为IPM模块电路或电源电路提供稳定的直流电。传统的拓扑结构结构简单，成本低，可靠性高。影响输入电流波形正弦度的PFC部件过去很多厂家采用无源的方式，此方式由于全部采用被动器件，因此可靠性高，容易实现，缺点是电感体积大，不具备升压功能，制约后级压缩机运行频率的提高。近年来越来约多厂家采用有源PFC控制电路，其中Boost PFC电路由于结构相对简单，成本较低被广泛采用[1-2]，传统Boost PFC电路另外一个重要优势是能调节后级输出电压，满足压缩机高频运转需求，但是当低电压时，整流桥，开关器件和电感发热严重，又带来了变换器效率低等问题，因此各厂家近年来都基于Boost PFC原理开发各种新的拓扑结构应用于变频空调上，例如为了追求更高的效率，采用了软开关方法和交错控制的方法[3]，使用复杂的方法PFC变换器效率的确提高不少，但仍然取消不了整流桥并使控制与结构复杂，并不是一个很实际的解决方案。
随着电力电子器件的发展，GaN功率器件的出现开辟了新的篇章，极低的Qrr及低电容值[4]，使简单有效的图腾柱PFC功率转换电路得以实现，本文不着重介绍GaN功率器件的特性，而是尝试探讨图腾柱PFC的工作原理及其工作方式，以获得一种高效的变频空调功率因数校正方法。
2、拓扑及工作原理介绍
图1给出了图腾柱PFC功率转换电路拓扑结构。（a）给出了两个GaN和两个慢速普通二极管构成的变换电路，而图（b）给出了两个GaN和两个MOSFET构成的变换电路，以更进一步提高效率。实际变频空调应用中为了简化控制，采取（a）的拓扑结构，如图2所示。
PFC电感电流通过无感电阻R3采样，控制器芯片地与无感电阻R3采样地相连，与Q1、Q2驱动地隔离。单电阻R3及相关运算放大器构成PFC电感电流采样电路，电阻R5、R6、R7及相关运放组合构成直流母线电压差分采样电路，电阻R1、R2及相关运放组合构成交流输入电压采样电路。该方案具有成本低、易于实现等显著优势。为防止功率器件Q1、Q2同时导通造成电容放电短路，设计以电阻R4及相关运放组成的过流保护电路。
图3所示为图腾柱PFC控制在正半周上的工作原理图。 1） 在电源输入电压正半周时：
a、功率器件Q1、Q2间断导通：
Q2开通时，电感处于储能状态，通过调节Q2的开通时间调整能量大小，同时电容C向负载放电提供能量，此时通过R3采样获得PFC电感电流为IL1；当Q2关闭Q1反向导通，交流电源给电容C充电，并释放电感能量，此时采样得到PFC电感电流为IL2，通过R3采样获得PFC电感电流。功率管Q1和Q2交替工作，在输入电源正半周下构成Boost PFC电路。
当电源输入电压负半周时，其工作原理与正半周类似，如图4所示。
3、控制策略介绍
输入AC电压过零的时候，以上图腾柱PFC控制时有一个较为关键的问题，当输入电压和工作模式处于从正半周变化到负半周的时候，功率管Q2的占空比突然从接近100%变为0%，功率管Q1占空比从0%变化到接近100%。二极管的反向恢复较慢，此时容易出现电压尖峰，因此为避免该问题，当输入过零的时候需要实施软启动的策略。
图5给给出了图腾柱PFC的整体控制框图，电压环和电流环控制与传统的Boost PFC变换器相同[5]，控制器输入信号包含交流输入电压Vac，Vac极性，电感电流IL，输出直流电压Vp_n，电流环给出了升压电路所需要的占空比，而极性决定了功率管的开关逻辑及软启动功能。
图6所示为Q1和Q2开关管切换时序图，当输入电压正半周时，经过软启动后Q2进入Boost PFC PWM工作模式，同样负半周时，Q1在软启动后进入Boost PFC PWM工作模式。
4、系统仿真实现
基于以上提出的方法与控制策略进行仿真，图7给出了，电感电流，输出电压，极性判断及开关管PWM控制逻辑的波形，仿真结果表明系统稳定，满足预先设计要求。
同时按照以上模型，基于I合作公司开发的芯片，对比了图腾柱控制方案（Rg=200Ω， IKA15N65F5 （650V DuoPack IGBT and Diode））与传统Boost PFC控制方案的系统效率，图8所示，图腾柱PFC方案最高效率接近98%，整体效率也比传统Boost PFC控制方案高0.25%。
5、结论
本文介绍了图腾柱PFC拓扑结构以及基本控制原理，提出了一种易于实现的控制方法，分析了实际工作中可能出现的电流尖峰问题以及对策，最后通过仿真及合作公司的对比数据说明了本文所介绍的方案稳定可靠，性能优异。随着新一代功率半导体的发展，图腾柱PFC控制方法将获得更快的发展，具有更高的实用价值。
参考文献
[1]Rossetto L， et. al. Control techniques for power factor correction converters[C]. Proceedings of the Power Electronics and Motion Control， 1994： 1310-1318.
[2] Orabi M， Ninomiya T. Analysis of PFC converter stability using energy balance theory[C]. Proceedings of the IEEE Annual Conference of the Industrial Electronics Society， 2006： 544-549.
[3] J. W. Kolar， F. Krismer， Y. Lobsiger， J. Muhlethaler， T. Nussbaumer and J. Minibock，“Extreme Efficiency Power Electronics，” 7th international conference on integrated power electronics systems （CIPS）， March， 2012.
[4] Y.-F. Wu， D. Kebort， J. Guerrero， S. Yea， J. Honea， K. Shirabe and J. Kang “High-frequency GaN Diode-Free Motor Drive Inverter with Pure Sine-wave Output”， PCIM， Nuremberg Germany， May 2012.
[ 5]毛鴻， 吴兆麟. 有源功率因数校正器的控制策略综述[ J] . 电力电子技术， 2000 ，（1）：58-61.
关键词：功率因数校正；Boost；图腾柱PFC；效率
Survey of Totem Pole Bridgeless PFC Used in Inverter Air-conditioner
SU Lizhi（GD MIDEA AIR-CONDITIONING EQUIPEMENT CO.， LTD）
Abstract：With the development of society， people’s demand for the comfort and energy saving of air-conditioner is getting higher and higher， and the inverter air-conditioner is popularized rapidly. More and more inverter air-conditioner connected to power grid， if not control the harmonic level will affect the quality of the power grid， more countries have introduced harmonic mandatory standard to protect the power grid security. Therefore， power factor correction （PFC） technology has become the focus of many air-conditioner company and power supply company， the totem pole bridgeless PFC technology due to the reduction of the use of the rectifier bridge， so it can be helpful to the overall efficiency of the inverter air-conditioner. This paper introduces the topological structure of the totem pole bridgeless PFC， the basic control principle. Finally， the development direction of the totem pole bridgeless PFC is given.
Keywords：Power factor correction； Boost； Totem Pole PFC； efficiency
1、引言
变频空调控制器对空调压缩机进行变频调速，同时控制空调电气系统的执行动作，因此是变频空调的重要电控部件。传统的变频空调控制器输入端通过整流桥把交流电变成直流电，然后经过PFC部件调整输入电流波形，再经过电容滤波后为IPM模块电路或电源电路提供稳定的直流电。传统的拓扑结构结构简单，成本低，可靠性高。影响输入电流波形正弦度的PFC部件过去很多厂家采用无源的方式，此方式由于全部采用被动器件，因此可靠性高，容易实现，缺点是电感体积大，不具备升压功能，制约后级压缩机运行频率的提高。近年来越来约多厂家采用有源PFC控制电路，其中Boost PFC电路由于结构相对简单，成本较低被广泛采用[1-2]，传统Boost PFC电路另外一个重要优势是能调节后级输出电压，满足压缩机高频运转需求，但是当低电压时，整流桥，开关器件和电感发热严重，又带来了变换器效率低等问题，因此各厂家近年来都基于Boost PFC原理开发各种新的拓扑结构应用于变频空调上，例如为了追求更高的效率，采用了软开关方法和交错控制的方法[3]，使用复杂的方法PFC变换器效率的确提高不少，但仍然取消不了整流桥并使控制与结构复杂，并不是一个很实际的解决方案。
随着电力电子器件的发展，GaN功率器件的出现开辟了新的篇章，极低的Qrr及低电容值[4]，使简单有效的图腾柱PFC功率转换电路得以实现，本文不着重介绍GaN功率器件的特性，而是尝试探讨图腾柱PFC的工作原理及其工作方式，以获得一种高效的变频空调功率因数校正方法。
2、拓扑及工作原理介绍
图1给出了图腾柱PFC功率转换电路拓扑结构。（a）给出了两个GaN和两个慢速普通二极管构成的变换电路，而图（b）给出了两个GaN和两个MOSFET构成的变换电路，以更进一步提高效率。实际变频空调应用中为了简化控制，采取（a）的拓扑结构，如图2所示。
PFC电感电流通过无感电阻R3采样，控制器芯片地与无感电阻R3采样地相连，与Q1、Q2驱动地隔离。单电阻R3及相关运算放大器构成PFC电感电流采样电路，电阻R5、R6、R7及相关运放组合构成直流母线电压差分采样电路，电阻R1、R2及相关运放组合构成交流输入电压采样电路。该方案具有成本低、易于实现等显著优势。为防止功率器件Q1、Q2同时导通造成电容放电短路，设计以电阻R4及相关运放组成的过流保护电路。
图3所示为图腾柱PFC控制在正半周上的工作原理图。 1） 在电源输入电压正半周时：
a、功率器件Q1、Q2间断导通：
Q2开通时，电感处于储能状态，通过调节Q2的开通时间调整能量大小，同时电容C向负载放电提供能量，此时通过R3采样获得PFC电感电流为IL1；当Q2关闭Q1反向导通，交流电源给电容C充电，并释放电感能量，此时采样得到PFC电感电流为IL2，通过R3采样获得PFC电感电流。功率管Q1和Q2交替工作，在输入电源正半周下构成Boost PFC电路。
当电源输入电压负半周时，其工作原理与正半周类似，如图4所示。
3、控制策略介绍
输入AC电压过零的时候，以上图腾柱PFC控制时有一个较为关键的问题，当输入电压和工作模式处于从正半周变化到负半周的时候，功率管Q2的占空比突然从接近100%变为0%，功率管Q1占空比从0%变化到接近100%。二极管的反向恢复较慢，此时容易出现电压尖峰，因此为避免该问题，当输入过零的时候需要实施软启动的策略。
图5给给出了图腾柱PFC的整体控制框图，电压环和电流环控制与传统的Boost PFC变换器相同[5]，控制器输入信号包含交流输入电压Vac，Vac极性，电感电流IL，输出直流电压Vp_n，电流环给出了升压电路所需要的占空比，而极性决定了功率管的开关逻辑及软启动功能。
图6所示为Q1和Q2开关管切换时序图，当输入电压正半周时，经过软启动后Q2进入Boost PFC PWM工作模式，同样负半周时，Q1在软启动后进入Boost PFC PWM工作模式。
4、系统仿真实现
基于以上提出的方法与控制策略进行仿真，图7给出了，电感电流，输出电压，极性判断及开关管PWM控制逻辑的波形，仿真结果表明系统稳定，满足预先设计要求。
同时按照以上模型，基于I合作公司开发的芯片，对比了图腾柱控制方案（Rg=200Ω， IKA15N65F5 （650V DuoPack IGBT and Diode））与传统Boost PFC控制方案的系统效率，图8所示，图腾柱PFC方案最高效率接近98%，整体效率也比传统Boost PFC控制方案高0.25%。
5、结论
本文介绍了图腾柱PFC拓扑结构以及基本控制原理，提出了一种易于实现的控制方法，分析了实际工作中可能出现的电流尖峰问题以及对策，最后通过仿真及合作公司的对比数据说明了本文所介绍的方案稳定可靠，性能优异。随着新一代功率半导体的发展，图腾柱PFC控制方法将获得更快的发展，具有更高的实用价值。
参考文献
[1]Rossetto L， et. al. Control techniques for power factor correction converters[C]. Proceedings of the Power Electronics and Motion Control， 1994： 1310-1318.
[2] Orabi M， Ninomiya T. Analysis of PFC converter stability using energy balance theory[C]. Proceedings of the IEEE Annual Conference of the Industrial Electronics Society， 2006： 544-549.
[3] J. W. Kolar， F. Krismer， Y. Lobsiger， J. Muhlethaler， T. Nussbaumer and J. Minibock，“Extreme Efficiency Power Electronics，” 7th international conference on integrated power electronics systems （CIPS）， March， 2012.
[4] Y.-F. Wu， D. Kebort， J. Guerrero， S. Yea， J. Honea， K. Shirabe and J. Kang “High-frequency GaN Diode-Free Motor Drive Inverter with Pure Sine-wave Output”， PCIM， Nuremberg Germany， May 2012.
[ 5]毛鴻， 吴兆麟. 有源功率因数校正器的控制策略综述[ J] . 电力电子技术， 2000 ，（1）：58-61.