一种多驱动系统采用单电源供电的应用

胡雅洁

（珠海格力电器股份有限公司，珠海 519070）

前言

变频多联式中央空调具有节能舒适、占用空间小、安装方便、使用灵活等多种优势，越来越受到消费者的青睐。通常多联式空调机组系统包括一个室外侧系统 （室外机）和多个室内侧系统 （室内机），为提高整机散热性能，某些室外机组需带两个风机运行。一般地，变频空调压缩机与风机都采用变频调速控制方式，且各自的驱动控制器完全独立，采用分布式独立电源，即每个驱动都有自己的电源供电系统。与此同时，变频驱动设计的PCB尺寸会较大、成本会较高、且能耗也难以降低，难以满足节能和高性价比的要求。此外，变频多联式空调机组在中央空调领域中所占份额较大，每年消耗的电能较多，并且随着其市场需求及使用数量的不断增加，独立式电源供电方式的累计成本将大大增加。随着人们消费及生产理念的转变，产品的便携式已逐渐列入，除价格、可靠性、美观性外人们追逐的主流要素当中。一种体积更小、价格更低、生产效率更高的新一代变频驱动控制器急需被开发。特别是我国作为空调生产和消费的大国，也是空调出口的大国，加上直流变频多联机组在中央空调领域中占有绝对主导地位，未来中央空调在缩小体积、成本降低上都将面临更加严峻的“瘦身”任务。

1 单电源供电方案的工作原理

传统的电源供电方案是，压缩机与风机驱动变频控制器完全独立，分别有各自的强电滤波电路、整流储能电路及逆变电路。如图1。其缺点是整体驱动控制器的体积大，成本高。若采用单电源供电控制方案，可减少1个滤波器及风机变频驱动板的一大块整流储能电路。降低变频驱动的成本，同时也减小了外机电控箱的体积。单风机情况下，风机和压缩机的开关电源、整流储能电路集成在一个驱动控制器上;双风机情况下，风机驱动Ⅱ与风机驱动Ⅰ的开关电源均从压缩机驱动上取电，即2风机驱动共用1个开关电源。当前，国内外空调行业，均未有2风机共用1开关电源的控制方式。

图1 独立开关电源控制框图

采用压缩机与风机变频驱动控制器共用开关电源的单电源控制方式，通过优化硬件的方式，将开关电源、整流储能电路集成在一个驱动控制器上（目前集成在压缩机驱动上），配套驱动控制器（风机驱动）无需自带开关电源及整流储能电路，与前者共用即可实现所有驱动控制功能。且双风机情况，仅需1个开关电源，大大降低了驱动板的成本及尺寸。分单风机与双风机两种情况。其控制方案按单风机及双风机情况区分，具体工作原理如下:

单风机:压缩机与风机变频驱动控制器共用1个开关电源及直流母线电源。整套变频驱动控制器仅包含:1个滤波器、1块压缩机变频驱动板 （含整流储能与逆变）、1块风机变频驱动板 （仅含逆变）。即风机和压机的开关电源、整流储能电路集成在一个驱动控制器上。

双风机:双风机驱动共用1压机驱动的开关电源，即风机驱动Ⅱ与风机驱动Ⅰ的开关电源均从压机驱动上取电。如图2。相对现有一代方案，可减少1个滤波器及风机变频驱动板的一大块整流储能电路。降低变频驱动的成本，同时也减小了外机电控箱的体积。

图2 单开关电源双风机控制框图

2 单电源供电方案的硬件电路设计

单电源供电控制方案拓扑结构如图2所示，拓扑结构图列出了共用开关电源的控制原理。上电后，正确接入共用直流母线端口（COM1）及开关电源端口 （COM2），风机及压机驱动控制器将正常运行。双风机的情况，风机驱动Ⅱ与风机驱动Ⅰ的开关电源均从压机驱动上取电，即2风机驱动共用1个开关电源，直流母线电压也同时从压机驱动板上取电。

单开关电源控制方式不但节约了成本，且电源输出电压可靠性高。为验证单开关电源控制方式的满负载 （使用最恶劣情况下的）可靠性，进行了一些硬件可靠性测试:在额定输入电压 （220V）情况下，开关电源各路电压输出波形。压机驱动及风机驱动上的电源主要有18V、15V、12V、5V、3.3V几种，以下主要选取15V电源的电压波形作为例子介绍 （见表1）:

表1 风机和压机驱动输出电压测量情况

从表1可以看出，采用单电源供电的方式，满负载情况下电压输出正常稳定，波形良好，无突升突降情况，可靠性高。

3 单电源供电方案电路器件的选型

当采用单电源供电的控制方式时，开关电源输出的功率等级会增加，对元器件的性能特性要求会提高，高频变压器的选择也需要重新考虑。因此，在采用此控制方式时，需考虑很多影响要素。

3.1 高频变压器的选型

由于使用双风机作为负载 （原负载为单风机），负载需求增加，高频变压器的输出路数也需要增加，为满足单电源双风机控制工作的需要，高频变压器需增加输出路数;另，负载增大导致Ids电流的增大，需相应的增大高频变压器初级绕组的线径，高频变压器需重新设计。

3.2 电源芯片的选型

较常见的开关电源芯片是TNY278（PI厂家，以下也将以TNY278为例介绍开关芯片）。

同样，由于使用双风机作为负载，开关电源的关键器件的参数需作调整。由于负载增多，高频变压器的输出路数需增加，与此同时，其漏感也会相应的增加，变压器初级漏感造成的尖峰电压Vspike也会相应的增加。

由变压器漏感造成的 Vspike可通过外围电路（RCD）吸收，使其在最大交流输入电压、最大负载的情况下Vds的波形尖峰不超过开关管的耐压值，但基本前提是，电源芯片要选取更高的耐压等级。实验验证，TNY278开关管的耐压值可满足此控制方式的使用 （耐压值为700V）。

图3 漏源极尖峰电压 （Vds）的组成

其中Vin为输入直流电压VDC，Vor为变压器次级反射电压，Vspike为变压器初级漏感造成的尖峰电压。

开关管开通后，漏源极电压会在瞬间降为零，此时，其漏极电流Ids开始上升，当占空比达到最大且电流也达到最大值时，开关管关断，电流瞬间降为零。由Ids的波形可以看出在开关刚开通时，有电流尖峰产生。第一个尖峰电流是开关管动作的噪声，不会影响正常使用。为了防止误保护，TNY278在其内部设置了前沿消隐时间，即在开关开通的一段时间 （215ns）内不检测电流值，因此即使达到了流限值也不会出现关断开关管负载增大的情况。第二个尖峰就是真正的Ids电流波形，负载增加后，第二个尖峰电流会相应的增大，因此单电源供电控制的控制方式需选择耐电流值更大的芯片。实验验证，TNY278开关管的耐电流值可满足此控制方式的使用。

图4 Ids、Vds波形

3.3 输出电容容值增大

当负载增大后，需将开关电源的输出电容增大，才能降低输出纹波电压，因此输出电容的成本会有一定的增加，但很微小。

4 单电源供电方案的应用

在变频多联式机组上，首次使用了单开关电源供电的控制方式，两个风机驱动同时在压机驱动上取电。硬件上，开关电源、整流储能电路集成在一个驱动控制器上 （目前集成在压机驱动上），两风机驱动无需自带开关电源及整流储能电路，即可与压机驱动配套，实现独立开关电源驱动控制方式的所有功能。

上电正确接入共用直流母线端口（COM1）及开关电源端口 （COM2），待主控板发开机命令后，风机及压机驱动控制器即可正常运行。变频多联式空调机组在中央空调领域中占有绝对主导地位，并逐渐成为空调市场的主流产品。成本低、外观简洁美观、可靠性高的产品已成为人们追逐的潮流产品，单电源供电控制方式具有明显的市场优势，今后的应用领域会随着需求的增多而逐渐扩大。

5 结束语

上述的单开关电源供电控制方案，通过输出电源的测试，验证了在最恶劣情况下的输出稳定性;经过在直流变频多联空调机组上的应用，验证了其使用的可靠性，基本满足多联机组电源使用的需求。同时其体积更小、成本更低、操作更易、外观更简洁的优点可在今后推广应用在更多的机组上。

［1］ 沙占友.新型单片开关电源的设计与应用 ［M］.北京:电子工业出版社，2001

［2］ 沙占友，王晓君，王彦朋.TOPSwitch－FX系列单片机开关电源的应用［J］.单片机与嵌入式系统应用，2001，（2）:33－35

* Power Int数据手册及设计指南 ［M］.2007