不同PFC技术在空调机组上的应用对比分析

杨 帆，刘文斌

（珠海格力电器股份有限公司，广东 珠海519070）

0 引 言

随着变频空调的出现，在使用IPM技术的同时，PFC技术也逐渐被应用，从而满足国内外不同标准的要求，提升市场竞争力，提高客户满意度。

在变频领域，控制器是不可缺少的重要组成部分，随着国家标准的提高，控制对象的复杂化，人们对安全的重视，要求控制器满足的性能指标也越来越多。

变频控制器目前主要包含整流和逆变两部分内容，在实现这个过程时，有源元件的使用不可避免的带来谐波、EMI、电流冲击、元件散热、效率等一系列问题，而PFC技术在解决这些问题的同时，也在不断引入问题。因此，不同的PFC方案对于控制器整体的效果有很大的影响，针对不同的输出效果，选用正确的方案就显得十分重要。

1 不同PFC技术的拓扑分析

PFC技术应用已久，其拓扑也从简单变得逐渐复杂，其控制原理方面也有很大不同，而对应的应用效果也在不断的进步。

整体的PFC技术的拓扑结构从简单的直流斩波电路变化而来，而直流斩波电路中包含多种电压变换，其中包含升压、降压、升降压电路原型。而在空调应用场合，为提升输出效果，通常为了提升母线电压，采用升压电路（Boost电路），因此PFC技术本身不仅仅包含功率因数校正的功能，同时还拥有升压功能［1］。

根据输出效果不同，多种PFC技术应运而生：部分开关式PFC技术、无桥PFC技术、对称式交错PFC技术、非对称式交错PFC技术、多路交错式FPC技术、无桥交错式PFC技术、H桥技术、矩阵变频技术等。这些PFC技术有些已经走进千家万户，有些还在研发当中，下面的拓扑图将会给出基本的拓扑结构，有些PFC技术其硬件拓扑相同，软件控制策略不同。

如图1所示，有桥PFC与部分开关式PFC的拓扑结构相同，也是最早采用的拓扑结构，整体拓扑结构简单，控制方法也相对简单。其中对于电流采样部分通常有RS1／RS2／RS3三个位置可以选择，其中RS1／RS2采集电路为直流侧，RS3采样为交流侧，如果有输入电压采样，采样点通常在X、Y位置，如果没有采用电压采样，则为使用软件算法估算。

图1 有桥／部分开关式PFC拓扑

为了降低功率损耗，有些设计师将有桥PFC控制更改为部分开关控制，保证功率因数、谐波满足认证要求的前提下，降低开关管损耗。

如图2所示，无桥PFC拓扑不采用整流桥，而是直接将电感串接到电源输入端，两路开关管分别工作在电源的不同半波部分，因此每一个开关管工作时与另外一路的开关管的切换周期等于电源周期。

图2 无桥PFC拓扑

如图3所示，交错式PFC与有桥PFC类似，但其控制原理不同。交错式PFC在有桥PFC的基础上并联一路开关管，两路开关管交替导通，而电压采样与有桥相同，都是采集在整流桥后端。

由于物料差异或者条件限制等因素，有时无法做到两路开关电路物料参数一致，甚至电感参数相差很多的情况下，为保证电路仍然可以正常工作，同时达到预期的输出效果，非对称交错式PFC控制就显得十分必要。对称交错式与非对称式交错式PFC电路的拓扑相同，但是电路参数不同，控制方法也不相同。

图3 对称／非对称交错式PFC拓扑

如图4所示，无桥交错式PFC拓扑与无桥PFC拓扑类似，在结构上就是两路无桥PFC拓扑的叠加，其元件倍数是无桥PFC元件的两倍，之所以又被称为交错式的原因是两路无桥PFC拓扑，按照控制频率交替导通，与交错式PFC有异曲同工之妙。

图4 无桥交错式PFC拓扑

如图5所示，H桥PFC结构与一般的整流桥结构相似，其不同点在于H桥前段需要增加电感，四个普通整流二极管被更换为高速开关管。这种拓扑为完全对称结构，因此既可以工作在整流状态，也可以工作在逆变状态，随着新能源的推广应用，这种电路越来越多的被应用到中、大型功率设备上面。

图5 H桥PFC拓扑

如图6所示，单相矩阵变频拓扑与以上PFC拓扑结构都不相同，以上PFC拓扑应用在感性负载时，都属于“交—直—交”的拓扑结构，而矩阵变频拓扑省略中间直流环节，直接将交流变成交流，属于“交—交”的结构。

图6 单相矩阵变频拓扑

2 不同PFC控制原理的分析

对于不同PFC拓扑结构，对应的控制原理也并不完全相同，从结构上来讲，其结构简单，控制也相对简单，但无论哪种控制方法，都可以达到设计师想要的波形输出效果，都可以解决功率因数和谐波问题。

PFC总的控制思想是通过对开关管的开通关断控制（在开通时电流上升，关断时电流下降）［2］，达到控制输入电流波形实时跟踪输入电压的目的，其效果如图7所示。

图7 PFC控制电流波形放大图

为了对输入电流波形和输出母线电压进行有效的控制，软件内部通常有两个控制环，内环为电流环，外环为电压环，通过输入电流、输出电压的反馈检测不断进行调节控制。其电流环和电压环分别如图8和图9所示（不同PFC拓扑其控制方式略有区别）。

2.1 有桥／部分开关式PFC工作原理

如图1所示，由于电感L1前端为脉动的半波整流波形，其状态基本保持恒定，因此有桥PFC控制仅需要对单个开关管进行连续控制，就可以达到功率跟踪的目的。

图8 电流控制环

图9 电压控制环

如果不给出PFC控制信号，其输出波形如图10（a）所示，增加PFC控制的输出波形如图10（b）所示。

为降低开关管损耗，在有桥控制基础上提出部分开关式PFC控制，其控制方法就是让输入电压较低的部分仍然流过电流，从而保证输入电流波形与输入电压基本类似，其效果不如完全控制好，以牺牲功率因数为代价，图11为控制示意图。

图10 有桥／部分开关式PFC输出波形

2.2 无桥PFC工作原理

如图12所示，无桥PFC拓扑不带整流桥结构，因此其开关管工作在不同的半波周期，在输入电压为正半轴时，其开关管只有Q1以控制开关频率导通关断，当进入到另一个负半轴时，则切换到Q2管工作，依次交替工作，其交替的周期为输入电压周期。

图11 部分开关式PFC驱动脉冲规律图图12 输入电压为正半轴时控制波形

图11 部分开关式PFC驱动脉冲规律图图12 输入电压为正半轴时控制波形

对于无桥PFC软件控制来讲，其控制方法与有桥PFC控制方法相同。尽管无桥控制时开关管Q1／Q2的导通存在电源周期的交替工作，但是由于开关管的单相导通特性，同时接收到PWM控制信号时，实际上只有一个开关管导通，因此如果采用相同的采样方式，其有桥PFC控制软件完全可以移植到无桥PFC控制上面，图13为无桥PFC正半轴连续控制的PWM控制信号与电流波形。

图13 无桥PFC控制PWM信号波形

2.3 交错式PFC工作原理

如图3所示，交错式PFC在拓扑上为两个有桥PFC的并联，但其控制思想却完全不同。

交错式PFC工作时，采用一组导通为电感储能，另外一组为后级续流的工作模式（Q1导通时，L1储能，D1截止，Q2关断，L2续流，D2导通），两组开关管交替导通，每个开关管的导通频率为开关控制频率，两组开关管的切换频率也为开关控制频率，其总的电流波形与两个电感上的电流波形如图14、15所示。

图14 交错式PFC电流波形及电感电流

图15 交错式PFC输出效果图

2.4 无桥交错式PFC工作原理

无桥交错式PFC结合无桥与交错式的特点于一身，对于图4中L1／L2、L3／L4两组分别工作在交错模式，而前端的电感又是直接串接于零火线当中，没有整流桥结构。

在工作状态时，当电压为正半轴时，Q1／Q2以控制开关频率交替导通，完成储能功能，表现出交错式PFC控制的特点，而当电压为负半轴时，Q3／Q4交替导通。Q1／Q2与Q3／Q4工作切换时间周期为输入电压周期，表现出无桥PFC控制的特点。

相对于交错式PFC的控制方式，对于无桥交错式PFC控制来讲同样适用，将交错式PFC控制信号给到Q1／Q2，只需要增加一组同样的控制信号给到Q3／Q4即可。其输出电流波形效果如图16所示。

图16 交错式PFC电流波形图

2.5 H桥PFC工作原理

H桥PFC采用完全对称的拓扑结构，因此既可以实现整流功能，又可以实现逆变功能，这种特性在多种电源供电方式或光伏等新能源技术并网方面采用较多。

H桥结构根据功能需求工作在不同的模式下，当处于整流状态时，电网向母线充电，电流与输入电压同向，当处于逆变状态时，母线向电网灌电，电流与输入电压方向相反。

同一桥臂的开关管无论工作在整流还是逆变状态，上下开关管都是交替工作，与给电机的逆变电路相似，图17为整流波形，图18为逆变波形，图19为并网切换波形（负载发电），图20为整流切换波形（负载用电）。

图17 H桥整流波形

图18 H桥逆变波形

图19 H桥整流状态切换到逆变状态波形

图20 H桥逆变状态切换到整流状态波形

2.6 矩阵变频PFC技术的工作原理

矩阵PFC技术尽管也具有功率因数校正功能，但由于没有母线中间环节，因此是只有负载工作时，才将电网能量送到负载端，同样由于此种结构为对称结构，也可以实现将能量从负载端馈送到电网的功能，可以实现双向工作，但由于控制复杂，且不适合用在高频重负荷负载中，仅较少应用在低频负载，图21为对应的仿真电流波形。

图21 矩阵PFC技术输入输出电流波形

3 不同PFC技术的元件选型分析

不同的PFC技术，由于工作状态不同，对于电压、电流应力要求也不相同。介于元件成本要求，我们希望使用的元件电压、电流应力越小，单体的物料成本才会更低，因此推荐使用在元件上不会产生高压和大电流的PFC拓扑。

对于采用PWM控制的电路，要求具有一定硬件基础的电路，否则PWM调制技术将无法应用，其中电感和电容都属于惯性元件，并且在PFC技术中也属于关键元件。对于开关管元件，主要取决于应用的拓扑电路产生电压应力以及流过此开关管的电流应力。

3.1 电感元件选型分析

PFC电感在电路中主要启动升压（矩阵PFC技术无此功能）、滤波、功率因数调节的作用，PFC电感由于工作在高频状态，因此选择电感元件，而不应该选择电抗器元件，就是因为电抗器高频特性较差，并且发热严重，无法做到波形平滑，但是电抗器成本低，对成本有特殊要求时可以采用。

对于PFC电感的计算，都采用公式（1）获得，所得电感量为总电感量，根据不同拓扑应用，再除以应用个数即可。

式中，LMIN为计算总电感的最小值；UOUT为额定母线电压；UAC（min）为输入电压有效值的最小值；η为PFC效率；FPFC为PFC功率因数；γ为纹波系数；fGD为PFC控制开关频率；POUT（MAX）为负载最大输出功率。

其中电流纹波系数公式如式（2）所示，图22为电流纹波系数波形的示意图。

图22 电流纹波系数示意图

从以上公式可以得到，电感大小在一定输出和输入参数已经被固化的条件下，与开关频率有关，因此提高开关频率可以有效的减小电感量大小，从而减少成本和体积。在整体电感量一定的条件下，从图1到图5可以得到，无桥交错式PFC拓扑电感数量最多，因此从成本和体积角度考虑，应是最优的选择（矩阵变频PFC技术并不涉及升压电感，图6中的电感为滤波作用）。

3.2 电容元件选型分析

电容作为储能元件，主要起到稳定母线电压的作用，为了保证后级逆变控制需求，母线电压的波动应该限制在一定范围内，即母线电压纹波一定要足够小。

母线电容总容量的大小由公式（3）决定［3］：

式中，Udc为输出直流电压；ΔUdc为最大输出纹波电压；f为电压输入频率；Pout＿max为最大输出功率。

从公式（3）得知，母线电容总大小在输入输出要求一定的条件下，与母线电压高低、母线电压纹波大小有关系，为了尽可能选用较小的容量，满足元件电应力的条件下，应尽可能的升高母线电压，选择合理的纹波大小，从公式中也可以得知，母线电压的选择与拓扑没有关系。

3.3 开关管的选型分析

从以上拓扑工作原理可以得知，可控管工作时承受的电压最大为母线电压，因此在开关管的电压应力上是相同的。

从电流角度进行分析，由于为保证电源电流与电源电压同步，无论采用哪种拓扑，只需要保证总的电源电流相同即可，因此开关管上承受的电流并不等于电源电流。通过表1我们发现交错式PFC流过每一个开关管的最大电流更小，并且并联路数越多，优势越明显。

综合以上关键元件选型，从成本、元件体积、电压电流应力角度，可以看出选择无桥交错式PFC更具有优势；但是当不断增加并联路数的时候，由于元件过多，反而成为弊端，因此交错式PFC或者无桥交错式PFC通常选择三路为最佳。

表1 不同PFC技术流过开关管电流对比表

4 不同PFC技术的效率分析

控制器的效率与多种因素有关系，在元器件选型一定的条件，不同PFC拓扑结构对于控制器效率也有很大影响，功率损耗主要体现在电感元件、开关管元件上面。

从公式（4）可知，元件损耗与元件本身阻抗有关，同时也与流过元件的电流关系密切，当然，不同拓扑元件的数量和每个物料单个周期内的工作时间也会对损耗产生影响。

式中，P损耗为每种物料总损耗；N为每种元件总个数；I为流过每个物料的电流均值；R为对应物料的阻抗；T工作为单个周期内的工作时间。

从表1得知，流过交错式PFC拓扑的电流更小，因此其损耗也就更小；再仔细分析有桥和无桥结构的工作特点，发现无桥PFC结构比有桥PFC结构参与工作的等效开关管数量更少，因此我们可以得出具有升压功能的PFC拓扑中无桥交错式PFC在效率方面更有优势［4］。

图23为有桥FPC与无桥PFC效率的对比测试数据。

图23 有桥PFC与无桥PFC效率对比

图24 为无桥PFC与无桥交错式PFC效率的对比。

图24 无桥PFC与无桥交错式PFC效率对比

当然，影响效率的因素不仅仅是拓扑结构，比如物料选型、不同的电压等级也会很大程度的影响效率输出。PFC电感对效率的影响（交错式PFC模式下测试数据）体现在图25中。

图25 不同电感量对效率的影响

不同输入电压条件下效率输出也不相同（交错式PFC模式下数据），如图26所示。

图26 不同输入电压对效率的影响

矩阵变频PFC不具有电感、电容物料，损耗仅体现在开关管上面，其整体效率应该是最高的，但由于应用范围不同，所以不能进行同类比较。

由于温度对电感、电容、开关管的影响很大，因此损耗越低对元件的性能、寿命越有好处，因此整体的温度特性与效率息息相关。

5 不同PFC技术的EMI特性分析

尽管PFC技术的应用解决了功率因数和谐波问题，但同时又引入了EMI问题，在多次的应用中发现否开启PFC，对EMI测试结果大概有10 dB～20 dB的影响。引入的干扰问题必须解决，才能满足各国认证需求。

图27 不同PFC测试效果图

从图27可以发现无桥PFC比有桥PFC的干扰要大，但是通过后续的EMC整改（更改滤波板参数和主板滤波参数），仍然可以解决EMI测试问题。

交错式PFC由于减小了电流应力，并且在总的输入电流波形中纹波更小，所以更具有优势，图28是对交错式PFC母线两端对大地的测试电压波形，通过波形可以看出开关管存在开关毛刺，以及端点对大地电平的变化规律。

图28 交错式PFC母线端点对大地波形

通过对比可以发现有桥PFC比无桥PFC干扰要小，但是无桥PFC在效率方面又比有桥PFC具有优势。EMI问题可以通过整改通过，所以整体方案上更多的应用案例采用无桥结构，并且由于交错式在元件等方面的优势，被更多的应用到实际产品的开发当中。

6 结 论

总体来说，随着电力电子技术的不断进步，PFC技术不仅仅是本文提到的几种类型，越来越多的PFC技术被提出来，其基本的拓扑可能变化不大，但其软件控制、采样方式等都在不断变化，这些改进有利于PFC技术的进步，更好的解决成本、干扰问题，实现效率、功率因数等性能更好的提升。

对于PFC技术的应用还有很多，其在空调中的应用也是越来越普及，而且这种应用逐渐向大功率机组方向过度，对于提升人们生活水平有很大的帮助。