一种家用空调系统的功率因数校正控制方法

李 强

（广东美的制冷设备有限公司，佛山 528311）

一种家用空调系统的功率因数校正控制方法

李 强

（广东美的制冷设备有限公司，佛山 528311）

在家用空调系统的有源功率因数校正中，需要在输入电压的过零时刻开启功率因数校正功能，以避免非零相位时刻开启功率因数校正功能造成的输入电流超调冲击。提出一种频率自适应的过零检测方法，根据输入电流开环检测电网电压频率，在已知频率的基础上采用输入电流峰值闭环跟踪的方法进行过零检测。该方法不需要检测输入电压，能够自动适应50 Hz与60 Hz应用，同时该方法能够实时侦测电网电压短时中断。

功率因数校正；家用空调；频率检测；过零检测；短时中断

前言

在家用空调系统中，单相交流电源一般经过不可控桥式整流，将交流电源整流成直流电源（接大容量电解电容）来驱动压缩机。然而，不可控整流导致整机功率因数很低、电流谐波很高，难以满足电流谐波标准IEC 61000-3-2。因此，必须在整流后、电解电容前增加功率因数校正（power factor correction, PFC）电路，提高系统的功率因数、减小输入电流谐波。

功率因数校正电路可分为无源功率因数校正（Passive PFC）方法和有源功率因数校正（Active PFC）方法。其中，Boost升压型功率因数校正电路，不仅能够提高家用空调系统的功率因数，而且能起到提升直流母线电压的作用，更加利于变频空调系统的高频运行，故而成为变频空调系统有源功率因数校正的主流解决方案。

Boost升压型功率因数校正的控制方法主要两种，一种是基于直流母线电压、输入电压和输入电流检测的电压电流双闭环控制方法[1-4]，另一种是基于直流母线电压和输入电流检测的单周期控制方法[1,5-7]。其中，单周期控制方法不需要检测输入电压，能够降低系统硬件成本，故而成为本设计的首选。但是，在功率因数校正开启时刻，由于初始占空比不定，在输入电压较高时，较大的占空比必然造成电流超调冲击，进而导致过流保护而故障停机，甚至损坏系统硬件电路。因此，功率因数校正需要在输入电压过零时刻开启，需要检测输入电压的过零点。

由于采用单周期控制的Boost升压型功率因数校正电路时，没有输入电压检测电路，因此本文提出一种基于输入电流的频率与过流检测方法。首先，根据输入电流波形的上升与下降进行电网电压频率的检测；然后，在已知频率的基础上，采用输入电流峰值闭环跟踪的方法进行过零检测，用于开启PFC；同时，根据输入电流波形可以进行电网电压短时中断实时侦测。该方法能够自动适应50 Hz与60 Hz应用，在国内市场与海外市场通用。

1 家用空调系统的功率因数校正

Boost型功率因数校正电路不仅可以达到较高的功率因数、满足电流谐波国标，而且可以升压输出稳定的直流电压，从而给负载提供稳定的直流电源。其单周期控制（Single-cycle-control，SCC）方法，不需要检测输入电压，只需检测输入电流和直流母线电压，就达到提高功率因数和升压调节直流电压的目的[1,8]。

在单周期控制方法中，定义升压比aK为：

其中， vdc为直流母线电压， vin_avg为输入交流电压平均值。那么，单周期控制方法的电压环，根据参考电压 vdc_ref和反馈直流母线电压 vdc的偏差，进行比例积分调节，得到升压比 Ka；然后，根据式（2）计算得到功率开关管占空比Duty为：

其中， iin为输入电流瞬时值， iin_avg为输入交流电流平均值。

如图1所示，Boost型功率因数校正的单周期控制框图，通过电阻采样方法检测输入电流，通过电阻分压方法检测直流母线电压。当电压环输出的升压比Ka达到稳态后，通过单周期控制方法可以实现输入电流瞬时值跟踪输入电压波形，达到接近单位1的功率因数。

在家用空调系统中，根据输入电流情况，可以将系统运行全过程分成三种状态：①待机状态，系统上电后、电解电容充电、基本无功率输出、输入电流约为零；②PFC开启前状态，有功率输出、PFC未开启、输入电流较小；③PFC开启后状态，有功率输出、PFC已开启、输入电流较大。在状态②和状态③中，输入电流波形在每个半周期的90°相位出现独立的峰值，根据输入电流波形可以进行粗略的电压频率检测，同时可以通过跟踪输入电流峰值进行过零检测。但是，频率检测与过零检测的精度，受电流采样频率和电流波形对称性的影响。

图1 Boost型功率因数校正的单周期控制框图

在负载开启后，状态②与状态③的切换依据输入电流有效值Iin_rms判断：当输入电流有效值Iin_rms高于开启阈值Ith_on时，即当Iin_rms＞Ith_on时，PFC开启；当输入电流有效值Iin_rms低于关断阈值Ith_off或者发生故障（过压、PFC过流、短时中断等）时，PFC关断。其中，开启阈值Ith_on设定必须大于关断阈值Ith_off。具体地，单周期PFC的控制时序如图2所示，包括以下分界点：

1）分界点1—当Iin_rms＞Ith_on时，设置PFC运行标志PFC_RUN_FLG。在该分界点之前，PFC关断；在该分界点之后，下一个过零点开始PFC开启。

2）分界点2—当PFC_RUN_FLG置位后并且满足过零点条件（即在下一个过零点）时，设置PFC启动标志PFC_ONTIMING_FLG。在该分界点之前，PFC关断；在该分界点之后，PFC开启，输出PFC驱动信号。

3）分界点3—当Iin_rms＜Ith_off或者发生故障（过压、PFC过流、短时中断等）时，同时清除PFC运行标志PFC_RUN_FLG和PFC启动标志PFC_ONTIMING_ FLG。在此分界点之前，PFC开启；在该分界点之后，PFC关闭。

2 基于输入电流的频率与过零检测

国内市场与海外市场，同时存在两种电网电压频率标准，即50 Hz/60 Hz，那么本设计同时满足这两种电网电压频率。首先，通过根据输入电流的上升下降时刻，粗略地检测输入电压频率，进而判断为50 Hz还是60 Hz；然后在已知频率的基础上，采用输入电流峰值闭环跟踪的方法进行过零检测，用于开启PFC。在PFC开启后，采用时间阈值设定，用于进行电网电压短时中断实时侦测。

2.1 开环频率检测

基于输入电流的开环频率检测方法，根据输入电流的上升下降时刻直接计算输入电压的周期，可以粗略地检测输入电压频率。如图3所示，以PFC开通前的平均电流为比较点，检测瞬时电流与比较点的交点时刻（包括电流上升交点时刻和电流下降交点时刻），来计算输入电压的频率。

以远高于输入直流电压频率(近似100 Hz)的频率检测输入电流瞬时值，检测频率要足够高，不低于10 kHz，可选为PFC频率相同，以保证周期与过零点检测的精度。采用低通滤波器（截止频率远低于电流信号频率100 Hz，比如8 Hz）计算输入电流平均值。采用迟滞比较单元对瞬时电流和平均电流进行比较，获取并记录电流上升交点时刻和电流下降交点时刻；迟滞区间必须大于电流检测噪声的峰值。

记当前周期的电流上升交点时刻和下降交点时刻分别为Tup(k)与Tdown(k)，上一周期的电流上升交点时刻和下降交点时刻分别为Tup(k-1)与Tdown(k-1)，那么输入电压周期Tperiod为Tperiod= [Tup(k)+Tdown(k) -Tup(k-1) -Tdown(k-1)]。

图2 PFC控制时序图

那么，对应的输入电压频率为1/Tperiod，对此频率进行低通滤波得到估算频率Freq_est。当Freq_est接近50 Hz，则实际电压频率为50 Hz；当Freq_est接近60 Hz，则实际电压频率为60 Hz；当Freq_est低于45 Hz或者高于65 Hz，则说明检测出错，重新检测。

2.2 基于输入电流峰值闭环跟踪的过零检测

在家用空调系统中，在PFC开启前，输入电流在输入电压峰值附近达到电流峰值，稍微之后电压峰值；在PFC开启后，功率因数接近单位1，输入电流峰值与输入电压峰值几乎同步，二者同时达到峰值。因此，可以通过闭环跟踪输入电流峰值来实现输入电压的相位检测，而且在PFC开启后的过零检测精度更高。具体地，根据输入电流峰值时刻与相位计数器90°相位时刻的相位偏差，来闭环调整相位计数器的清零重启，使得相位计数器在90°相位时刻达到输入电流峰值，那么相位过零点即为输入电压的过零时刻，如图5所示。

记输入电压的相位计数器为PhaseCnt，每个PFC周期计数一次，一个电压周期包含N个PFC周期。90°输入电压相位包含N/4个PFC周期，180°输入电压相位包含N/2个PFC周期。基于输入电流峰值闭环跟踪的过零检测方法，程序流程如图4所示。如果输入电压为50 Hz，PFC载波频率为40 kHz，那么90°相位对应200个PFC周期，180°相位对应400个PFC周期。图5中显示了初始过零点比实际过零点滞后的输入电流峰值闭环调节过程。

图3 基于输入电流的开环频率检测方法

图4 过零检测方法的程序流程图

图5 基于输入电流峰值闭环跟踪的过零检测

2.3 基于输入电流的短时中断实时检测

在IEC 61000-4-11标准中，要求16 A以内设备满足电网电压20 ms短时中断的抗扰度要求。电压短时中断对家用空调系统的影响主要有两种：①电压中断期间，相当于没有输入电源，系统本身的储能（主要电解电容）给系统供电；如果电压中断时间过长，直流母线电压（电解电容电压）下降过低导致系统停机；②电压中断后的电压恢复时刻，由于电压中断期间直流母线电压下降，使得电压恢复时刻的输入电压很可能比直流母线电压高出很多（特别是在90°相位附近），导致很大的电解电容充电电流，加上PFC的开关电流，将造成输入电流过流保护而停机，甚至损坏系统硬件电路。

对于电网电压短时中断的最佳处理，尽可能实时地检测出短时中断；在检测到短时中断后立即关闭PFC，并在电压恢复后的下一个电压过零点重启PFC；同时，在检测到短时中断后，尽快减小负载功率，在并在电压恢复后的下一个电压过零点后恢复负载功率。如此，既可以延长电网电压短时中断发生后的系统连续工作时间，又可以减小的电网电压恢复时刻的输入电流冲击。

设电流误差阈值Ierr为输入电流平均值Iavg的50 %，采用过零计数器ZcCnt对输入电流瞬时值Iin小于电流误差阈值Ierr的时间计数，如图6所示，每个PFC周期执行一次：如果(Iin＜Ierr)，ZcCnt++，如图6灰色部分所示；否则，ZcCnt=0。设PFC开启后短时中断的判断时间阈值为1/4个电压周期，即如果PFC开启且ZcCnt＞ N/4，则发生短时中断，关闭PFC，并减小输出功率。

3 实验

以美的家用空调26机二级系统为实验对象，分别在50 Hz 220 VAC和60 Hz 220 VAC两种输入电压下做频率检测、过零检测和短时中断检测实验。设定PFC开启阈值Ith_on为1.5 A，PFC关断阈值Ith_off为1A；PFC载波频率为40 kHz，输入电流每个载波周期检测一次，并进行一次单周期PFC控制，以及频率检测、过零检测和短时中断检测。

在50 Hz 220 VAC和60 Hz 220 VAC两种输入电压下，分别进行10次基于输入电流的开环频率检测，10次测试结果均为正确频率。图7为在含短时中断的50 Hz 220 VAC输入电压下的实验波形，其中，CH1黄色为输入电流（5 A/div），CH2绿色为输入电压（100 V/div），CH3紫色为PFC运行标志（微控制器的DA输出，高电平表示PFC运行标志置位，反之表示PFC运行标志清除），CH4蓝色为PFC启动标志（微控制器的DA输出，高电平表示PFC启动标志置位，反之表示PFC启动标志清除）。如图所示，在输入电流达到开启阈值时PFC运行标志置位，在此之后的第一个过零点时刻，PFC启动标志重新置位，PFC开启；输入电压中断约5 ms后， PFC启动标志清除，PFC关断；当输入电流恢复后的第一个过零点时刻，PFC启动标志重新置位，PFC开启。整个过程与预期完全吻合，结果验证了所述方法的可行性。

4 结论

图6 基于输入电流的短时中断实时检测

图7 家用空调系统的正常运行波形图

本文分析了家用空调系统的Boost升压型功率因数校正单周期控制方法，提出了对应的开环电压频率检测方法、基于输入电流峰值闭环跟踪的过零检测方法和基于输入电流比较的短时中断实时侦测方法，并通过实验结果验证了所述方法的可行性。所述方法，完全基于输入电流检测，无需输入电压检测，可以降低电控系统的成本。所述方法能够自动适应50 Hz与60 Hz应用，在国内市场与海外市场通用。同时，所述方法能够实时侦测电网电压短时中断，提高了家用空调系统的电网电压抗扰度，满足IEC 61000-4-11标准。

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A Novel Control Approach for Power Factor Correction in Residential Air-conditioner System

LI Qiang
(GD Midea Air-conditioning Equipment Co., Ltd., Foshan 528311)

In residential air-conditioner system, the active power factor correction should be started at zero-crossing phase of input AC voltage, in order to avoid the input current overshoot at non-zero phase voltage starting. A frequency self-adaptively zero-crossing detection approach is presented in this paper, which detects the voltage frequency by open-loop method and zero-crossing phase by input current peak closed-loop tracking. The proposed approach can be applied in 50Hz and 60Hz. This method is without input voltage measure, and it can detect the voltage short interruptions in real-time.

power factor correction; residential air-conditioner; frequency detection; zero crossing detection; short interruption

TM464

A

1004-7204（2015）04-0041-06

李强（1978-），男，工程硕士研究生，研究方向为变频控制与制冷技术。