黄招彬

(广东美的制冷设备有限公司佛山 528311)

基于单周期PFC的交流电压估算方法研究

黄招彬

(广东美的制冷设备有限公司佛山 528311)

在应用BOOST型功率因数校正电路的单相交流供电电器系统中，采用单周期控制算法比传统的电压电流双闭环控制算法可以减少交流电压信号采样电路而降低系统成本。但是，取消掉交流电压采样之后就没有交流电压信息，无法进行系统功率计算、输入交流电压保护等功能。本文提供一种基于单周期PFC的交流电压估计算法，在PFC开启后进行实施交流电压估算，并在变频空调系统上进行充分的实验验证。

功率因数校正；单周期控制；交流电压；电压估算

1 、前言

在家用电器等类似系统中，先将自电网的单相交流电源，经过不可控全桥整流，然后经过功率因数校正（power factor correction, PFC）电路，输出直流电源，给大容量电解电容和负载供电。其中，一般采用Boost型功率因数校正电路，不仅可以达到较高的功率因数，而且可以升压输出稳定的直流母线电压，从而给负载提供稳定的直流电源。

Boost型功率因数校正的控制方法有多种，包括电压电流双闭环控制算法、单周期控制算法等[1-10]，其中电压电流双闭环控制必须有交流电压、直流母线电压和电流三个输入量[8-10]，而单周期控制算法不需要使用交流电压作为输入量[1-7]。从功率因数校正角度来看，采用单周期控制算法，可以取消交流电压采样电路，从而降低系统成本；但是，多数电器系统中使用交流电压作为输入交流电压保护阈值（比如输入欠压保护或者过压保护）或者其他控制与计算输入参数（比如功率计算），这就需要在取消交流电压采样电路的基础上进行交流电压估计。

已公开专利“CN201510091736.9电源装置的交流电压有效值估算方法和装置”提供了一种交流电压有效值估算方法，该方法通过估计交流电压瞬时值、并在电流较小时采用估计电压峰值计算有效值、在电流较大时采用估计电压瞬时值计算有效值，但是该方法无法避免PFC电流断续工作状态下的交流电压估计误差、会造成估计交流电压偏大的问题。

本文通过对功率因数校正电路的电流连续模式、电流断续模式和电流临界模式进行分析，提出一种新颖的交流电压瞬时估计方法，能够兼容电流断续模式，提高轻载时交流电压估计的准确性，并以美的变频空调为实验平台，进行了充分的实验验证。

2 、交流电压估计方法

单相交流供电的电器系统一般采用如图1所示的经典BOOST型PFC电路，其电路拓扑主要包括整流桥、功率开关管、快恢复二极管、电感、电解电容、电感电流检测单元、电解电容电压检测单元、控制单元等。其中，控制单元，通过检测电感电流、电容电压（即直流母线电压）和输入交流电压、执行电压电流双闭环控制算法、输出功率开关管PWM占空比，从而实现功率因数校正功能。当采用单周期控制算法时，不需要检测输入交流电压，根据电感电流和电容电压，即可实现功率因数校正功能。本文在此基础上，增加交流电压估计算法，根据电容电压、电感电流和输出PWM占空比，实时估算交流电压。

首先，根据PFC功率开关管的状态，进行基本回路分析：

2.1 当PFC功率开关管开通时，电流从整流桥正端输出、流经PFC电感与功率开关管、回到整流桥负端，电感电流呈线性上升，其电压关系满足

2.2 当PFC功率开关管关断时，电流从整流桥正端输出、流经PFC电感与快恢复二极管FRD进入电解电容和负载、再回到整流桥负端。在直流电压Vbd高于母线电压Vdc时，电感电流继续上升，反之电流下降，其电压关系满足

图1 单相交流供电电器系统的电路拓扑

图2 （a) 电流连续模式

图2 （b) 电流临界模式

图2 （c) 电流断续模式

2.2.1 当PFC工作在电流连续模式时，如图2(a)所示，电流在当前PWM周期内最终电流变化，满足，那么有

2.2.2 当PFC工作在电流断续模式时，如图2(c)所示，电流在当前PWM周期内从零开始上升、最终下降到零，最终电流变化满足，那么有

由于Tfall无法直接知道，故上式无法直接估算交流电压。根据电流峰值满足，你好 那么此时必须根据电流和电感估算交流电压，故得到

当PFC工作在电流临界模式时，如图2(b)所示，电流在当前PWM周期内最终电流变化，其满足，那么有

检测PFC电感电流和电解电容电压，并获得PFC输出占空比与PWM周期，根据电流峰值判断PFC工作模式；如果满足你好 ，那么PFC处于电流连续模式或者电流临界模式，则按照式（4）估算交流电

根据上述分析，在PFC开启时交流电压瞬时值估算方法为：压瞬时值；否则，PFC处于电流断续模式，则按照式（6）估算交流电压瞬时值。

由于本方法需要利用式（7）判断PFC电流工作模式，故本方法在原有PFC控制基础上增加两个条件：①需要用到实时性较高的采样电流，采样滞后远小于PWM周期；②需要使用PFC电感参数，要求电感量尽可能稳定且准确。

3 、实验

为验证所述交流电压估计方法的可行性，本文以美的牌变频空调为实验对象（型号KFR-26G/BP3DN1Y-LB(B2)），进行不同负载功率、不同供电电压情况下的估计方法有效性验证。所有信号从变频外机电控上获取，图3为本实验测试方法示意图，其中交流电压以电压探头直接检测桥堆后端电压得到，PFC电感电流以电流探头直接测量得到，从控制单元输出两路DA信号、分别表示不考虑电流断续模式的普通交流电压估计方法结果和采用本文所述方法结果，同时从控制单元输出1路IO信号、表示PFC工作的电流模式。具体地，

图3 测试系统示意图

图4 变频空调在220V供电压缩机30Hz运行时测试波形

图5 变频空调在220V供电压缩机60Hz运行时测试波形

图6 变频空调在150V供电压缩机60Hz运行时测试波形

图7 变频空调在265V供电压缩机30Hz运行时测试波形

CH1为普通方法的交流电压估计值，100V/V；

CH2为本文所述方法的交流电压估计值，100V/V；

CH3为实测的桥堆后交流电压值，V/div；

CH4为实测PFC电感电流，2A/div；

CH5为PFC工作的电流模式标志，高电平为电流连续模式，低电平为电流断续模式。

为验证不同负载功率下的交流电压估计方法有效性，本实验测试了220V供电情况下压缩机分别运行30Hz和60Hz的波形，如图4和图5所示。为验证不同供电电压情况下的交流电压估计方法有效性，本实验测试了150V供电压缩机60Hz运行和265V供电压缩机30Hz运行的波形，如图6和图7所示。

由图可见，各种情况下，本文所述方法的估计结果始终与实测交流电压贴近，而普通方法的估计结果在PFC工作电流断续模式时明显高于实测交流电压。当PFC电感电流整体较小时，PFC工作电流断续模式的时间占比长，普通方法的交流电压估计效果更差，本文所示方法的优势更加明显。可见，实验结果说明本文所述估计方法在150V～265V供电范围内不同负载下的交流电压估计均满足要求。

4 、结论

本文通过对功率因数校正电路的电流连续模式、电流断续模式和电流临界模式进行分析，提出一种新颖的交流电压瞬时估计方法，能够兼容电流断续模式，提高轻载时交流电压估计的准确性；并以美的变频空调为实验平台，通过实验结果验证了该估计方法在150V～265V供电范围内不同负载下的交流电压估计有效性。

[1]毛鹏,谢少军,许爱国,许泽刚. 单周期控制PFC变换器电流相位滞后及其补偿[J]. 电工技术学报,2010,(12).

[2]朱锋,龚春英. 单周期控制Boost PFC变换器分析与设计[J]. 电力电子技术,2007,(1).

[3]叶萍,胡钢,张金波. 单周期控制的PFC电路切换线性模型[J]. 电机与控制学报,2007,(2).

[4]曹广华,胡宗波,张波. 单周期控制Boost PFC变换器[J]. 电力电子技术,2005,(3).

[5]胡宗波,张波,胡少甫,邓卫华. Boost功率因数校正变换器单周期控制适用性的理论分析和实验验证[J]. 中国电机工程学报,2005,(21).

[6]陈浩龙. 基于改进型单周期控制的有源功率因数校正的研究[D]. 福州大学,2016.

[7]何光俊. 单周期控制软件开关Boost变换器PFC技术的研究[D]. 西南交通大学,2012.

[8]张厚升. 基于单周期控制的高功率因数整流器的研究[D]. 西北工业大学,2005.

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Research on AC Voltage Estimation inSingle-Cycle ControlledPower Factor Correction Circuit

Huang Zhaobin
(Guangdong Midea Refrigeration Equipment Limited Company, Foshan, 528311)

Tn the single-phase ac power supplied electrical system application with BOOST power factor correction circuit, relative to the traditional voltage and current double closed loop control algorithm, single-cycle control algorithm can reduce the ac voltage signal sampling circuit and reduce the system cost. However, without ac voltage information, many functions are missing, such as system power calculation, input voltage protection, etc. This paper provides ac voltage estimation algorithm based on single-cycle controlled PFC, and sufficient experimental verification is carried out on the inverter-driven air conditioning system.

Power factor correction；single-cycle control；AC voltage；voltage estimation