PFC载波频率控制装置、PFC控制器及空调器的制作方法

pfc载波频率控制装置、pfc控制器及空调器
技术领域
1.本技术涉及空调器技术领域，具体涉及一种pfc载波频率控制装置、pfc控制器及空调器。


背景技术：

2.目前的空调外机控制器一般采用单路增大(boost)型功率因数校正(power factor correction，pfc)电路来进行功率因数校正。其中，通常采用的是有源功率因数校正(active power factor correction，apfc)技术，apfc技术因能提高电力电子装置网侧功率因数，降低线路损耗，节约能源，减少电网谐波污染，提高电网供电质量等优点，在许多行业中得到了广泛的应用。
3.apfc技术是通过固定频率的载波调节功率器件占空比的形式来进行功率因数校正，由于高载频有利于降低电感的电流纹波，降低谐波，因此，通常apfc中使用的载波频率较高。
4.但是，载波频率越高，一个输入电源周期内功率器件的开关次数就越多，功率器件在不断高速开关的过程中会产生大量热量，导致开关损耗大大增加，进而影响功率因数校正电路的正常运行。


技术实现要素：

5.本技术提供一种pfc载波频率控制装置、pfc控制器及空调器，旨在解决现有技术中pfc技术采用高载频，使功率器件的开关损耗增加，导致功率因数校正电路不可靠的问题。
6.第一方面，本技术提供一种pfc载波频率控制装置，该pfc载波频率控制装置包括电性连接的电参数获取模块和频率确定模块，电参数获取模块与功率因数校正pfc电路电连接；
7.电参数获取模块，用于获取pfc电路运行时的实时电信号，并将实时电信号传输至频率确定模块，实时电信号包括第一电压信号，第一电压信号是输入pfc电路的交流电压信号；
8.频率确定模块，用于根据第一电压信号和预设的频率区间确定pfc电路的实时载波频率，以通过实时载波频率控制pfc电路。
9.在本技术一种可能的实现方式中，电参数获取模块包括电性连接的第一电压采样单元和峰值检测单元，第一电压采样单元与pfc电路的电源输入端电连接；
10.第一电压采样单元，用于实时采样第一电压信号，得到实时第一电压值，以及将实时采样的第一电压信号传输至峰值检测单元；
11.峰值检测单元，用于检测电源周期内的第一电压信号的电压峰值，得到第一电压最大值。
12.在本技术一种可能的实现方式中，预设的频率区间包括两个频率阈值，两个频率
阈值分别为最大频率值和最小频率值，频率确定模块包括频率差值计算单元和载波频率计算单元；
13.频率差值计算单元，用于根据最大频率值和最小频率值计算得到固定频率差值；
14.载波频率计算单元，用于根据最小频率值、固定频率差值、第一电压最大值和实时第一电压值，计算实时载波频率。
15.在本技术一种可能的实现方式中，载波频率计算单元具体用于：
16.根据第一电压最大值和实时第一电压值，计算得到实时电压差值，实时电压差值用于表征第一电压最大值与实时第一电压值之间的差值；
17.根据实时电压差值和第一电压最大值，计算得到实时电压比值，实时电压比值用于表征实时电压差值与第一电压最大值之间的比例关系；
18.根据实时电压比值和固定频率差值两者的乘积，得到载波频率波动值；
19.根据最小频率值和载波频率波动值，计算得到实时载波频率。
20.在本技术一种可能的实现方式中，pfc载波频率控制装置还包括控制模块，控制模块分别与频率确定模块和pfc电路电连接；
21.频率确定模块，还用于将实时载波频率传输至控制模块；
22.控制模块，用于根据实时载波频率控制pfc电路的功率器件工作。
23.第二方面，本技术还提供一种pfc控制器，该pfc控制器包括脉冲宽度调制模块和第一方面的pfc载波频率控制装置，pfc载波频率控制装置用于输出实时载波频率，脉冲宽度调制模块用于输出脉冲宽度调制信号，并根据实时载波频率调节脉冲宽度调制信号，以通过调节后的脉冲宽度调制信号控制pfc电路的功率器件工作。
24.在本技术一种可能的实现方式中，pfc控制器还包括占空比确定模块，占空比确定模块分别与电参数获取模块和脉冲宽度调制模块电连接，实时电信号还包括母线电压信号和pfc电路的回路电流信号；
25.占空比确定模块，用于根据母线电压信号、回路电流信号和第一电压信号，确定脉冲宽度调制信号的占空比，并将占空比传输至脉冲宽度调制模块；
26.脉冲宽度调制模块，还用于根据占空比调节脉冲宽度调制信号，以通过调节后的脉冲宽度调制信号控制pfc电路的功率器件工作。
27.在本技术一种可能的实现方式中，电参数获取模块还包括母线电压采样单元，母线电压采样单元分别与pfc电路的输出端和占空比确定模块电连接；
28.母线电压采样单元，用于实时采样pfc电路的母线电压信号，得到实时母线电压值，并将实时母线电压值传输至占空比确定模块。
29.在本技术一种可能的实现方式中，电参数获取模块还包括回路电流采样单元，回路电流采样单元分别与pfc电路的功率器件输出端和占空比确定模块电连接；
30.回路电流采样单元，用于实时采样回路电流信号，得到实时回路电流值，并将实时回路电流值传输至占空比确定模块。
31.第三方面，本技术还提供一种空调器，该空调器包括pfc电路以及第一方面的pfc载波频率控制装置和/或第二方面的pfc控制器。
32.从以上内容可得出，本技术具有以下的有益效果：
33.本技术中，通过电参数获取模块获取pfc电路运行时的实时电信号，如第一电压信
号，由于第一电压信号是输入pfc电路的交流电压信号，因此，频率确定模块根据该第一电压信号和预设的频率区间确定实时载波频率，可以使pfc电路的载波频率随输入的交流电压信号而变化，避免了始终处于高载频使功率器件的开关损耗增加的问题，并且由于预设有频率区间，可以确保实时载波频率始终处于预设的频率区间内，保证了pfc电路的正常运行，既能够降低pfc电路的电感电流纹波，降低谐波，又能够降低开关损耗，提高了pfc电路的可靠性。
附图说明
34.为了更清楚地说明本技术中的技术方案，下面将对本技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.图1是本技术实施例中提供的pfc电路的一个电路原理示意图；
36.图2是本技术实施例中提供的pfc载波频率控制装置的一个结构示意图；
37.图3是本技术实施例中提供的pfc载波频率控制装置的另一个结构示意图；
38.图4是本技术实施例中基于现有技术的pfc控制方法的pfc仿真波形示意图；
39.图5是本技术实施例中基于pfc载波频率控制装置的pfc仿真波形示意图；
40.图6是本技术实施例中提供的pfc控制器的一个结构示意图；
41.图7是本技术实施例中提供的空调器的一个结构示意图。
具体实施方式
42.下面将结合本技术中的附图，对本技术中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
43.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
44.在本技术中，“示例性”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本技术中被描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本技术，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本技术。在其它实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本技术的描述变得晦涩。因此，本技术并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本技术所公开的原理和特征的最广范围相一致。
45.在介绍本技术的pfc载波频率控制装置、pfc控制器及空调器之前，首先对本技术中的涉及的pfc电路进行简单介绍，请参阅图1，图1所示是本技术实施例中提供的pfc电路的一个电路原理示意图，该pfc电路100为单相boost型pfc电路，具体的，该pfc电路100包括交流电源(alternating current，ac)、整流桥db、电感l1、绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，igbt)、快恢复二极管d1以及母线电容c1，其中，绝缘栅双极型晶体管igbt即为功率器件q1。
46.该pfc电路100的具体电路结构为：交流电源ac与整流桥db连接，整流桥db的第一输出端与电感l1的第一端连接，电感l1的第二端分别连接功率器件q1的集电极和快恢复二极管d1的阳极，整流桥db的第二输出端与功率器件q1的发射极连接并接地gnd，快恢复二极管d1的阴极连接母线电容c1的第一端，母线电容c1的第二端接地gnd，负载与母线电容c1并联，此处，负载可以是电机、风机等耗电设备。
47.可以理解，功率器件q1的基极连接有控制端，该控制端可以输出脉冲宽度调制(pulse width modulation，pwm)信号如图1中的pfc-pwm信号对功率器件q1的工作状态进行控制，由于pfc电路100可以用于提升输出电压，因此，可以通过调节pfc-pwm信号的占空比以及载波频率来控制功率器件q1的开关时间，以使得pfc电路100向负载输出的最终输出电压达到预期。
48.基于上述的pfc电路100，接下来，对本技术提供的pfc载波频率控制装置、pfc控制器及空调器进行详细介绍。
49.如图2所示，图2是本技术实施例中提供的pfc载波频率控制装置的一个结构示意图，该pfc载波频率控制装置800包括电性连接的电参数获取模块200和频率确定模块300，电参数获取模块200与功率因数校正pfc电路100电连接。
50.该电参数获取模块200可以用于获取pfc电路100运行时的实时电信号，并将实时电信号传输至频率确定模块300，该实时电信号可以包括第一电压信号，该第一电压信号是输入pfc电路100的交流电压信号。
51.该频率确定模块300可以用于根据第一电压信号和预设的频率区间确定pfc电路100的实时载波频率，以通过实时载波频率控制pfc电路100。
52.由于电参数获取模块200可以获取pfc电路100运行时的实时电信号，因此，该电参数获取模块200可以直接与pfc电路100电连接，具体的，实时电信号包括第一电压信号，而第一电压信号是输入pfc电路100的交流电压信号，因此，电参数获取模块200可以是与电感l1的第一端连接，即电参数获取模块200连接于整流桥db与电感l1之间，该第一电压信号则是经过整流桥db整流后的交流电压信号，此时，第一电压信号的波形为正馒头波。
53.可以理解的，电参数获取模块200也可以是与交流电源ac的输出端连接，即电参数获取模块200连接于交流电源ac与整流桥db之间，此时，该第一电压信号则是由交流电源ac提供的呈正弦波形的交流电压信号。
54.本技术实施例中，预先设定有频率区间，该频率区间用于限制载波频率的取值范围，频率确定模块300根据第一电压信号和频率区间确定pfc电路100的实时载波频率，可以使得实时载波频率跟随第一电压信号的变化而变化，而不再是固定高载频，并且该实时载波频率被限制在频率区间的范围内，可以确保对pfc电路100的可靠控制。
55.本技术实施例中，通过电参数获取模块200获取pfc电路100运行时的实时电信号，
如第一电压信号，由于第一电压信号是输入pfc电路100的交流电压信号，因此，频率确定模块300根据该第一电压信号和预设的频率区间确定实时载波频率，可以使pfc电路100的载波频率随输入的交流电压信号而变化，避免了始终处于高载频使功率器件的开关损耗增加的问题，并且由于预设有频率区间，可以确保实时载波频率始终处于预设的频率区间内，保证了pfc电路的正常运行，既能够降低pfc电路100的电感电流纹波，降低谐波，又能够降低开关损耗，提高了pfc电路100的可靠性。
56.请参阅图3，图3是本技术实施例中提供的pfc载波频率控制装置的另一个结构示意图，在本技术一些实施例中，电参数获取模块200可以包括电性连接的第一电压采样单元201和峰值检测单元202，第一电压采样单元201与pfc电路100的电源输入端电连接。
57.第一电压采样单元201可以用于实时采样第一电压信号，得到实时第一电压值，以及将实时采样的第一电压信号传输至峰值检测单元202。
58.峰值检测单元202可以用于检测电源周期内的第一电压信号的电压峰值，得到第一电压最大值。
59.本技术实施例中，以电参数获取模块200连接在图1所述的整流桥db与电感l1之间为例进行说明，可以理解，第一电压采样单元则连接在整流桥db与电感l1之间，此时，第一电压信号为经整流桥db整流后的呈馒头波形的交流电压信号。
60.可以理解的，电压采样就是采集监测点的电压值，因此，第一电压采样单元201采集的便是输入到电感l1的实时第一电压值。该第一电压采样单元201可以是现有的任一种电压采样器件或电压采样电路，例如电阻分压电路等。
61.以一个电源周期为例，由于第一电压信号是经整流桥db整流后的交流电压信号，因此，第一电压信号具有波峰，即在该电源周期内具有最大值，此处最大值可以表征第一电压信号的有效值。本技术实施例中，峰值检测单元202可以对第一电压信号进行解析，从而确定该第一电压信号的最大值，该最大值即为第一电压最大值。
62.本技术实施例中，峰值检测单元202可以是模拟峰值检测器或数字峰值检测器，其中，模拟峰值检测器以电容上电压的形式存储第一电压信号的峰值，而数字峰值检测器则是可以筛选出第一电压信号的最大值。
63.请继续参阅图3，在本技术一些实施例中，预设的频率区间可以包括两个频率阈值，该两个频率阈值可以分别为最大频率值如freqmax和最小频率值如freqmin，频率确定模块300可以包括频率差值计算单元301和载波频率计算单元302；
64.频率差值计算单元301可以用于根据最大频率值freqmax和最小频率值freqmin计算得到固定频率差值δfreq；
65.载波频率计算单元302可以用于根据最小频率值freqmin、固定频率差值δfreq、第一电压最大值如vdbmax和实时第一电压值如vdb，计算实时载波频率。
66.可以理解，频率区间可以用于限制实时载波频率的取值，最终的实时载波频率被限制在设定的频率区间内，即实时载波频率最大不超过最大频率值，最小不低于最小频率值，因此，频率区间的节点及范围可以根据实际应用场景进行选择，此处不做限定。
67.假设本实施例中频率区间设定为[40，150]khz，则最大频率值freqmax为150khz，最小频率值freqmin为40khz，即最终得到的实时载波频率最大不超过150khz，最小不低于40khz，因此，本实施例中，频率差值计算单元301根据该最大频率值freqmax 150khz和最小
频率值freqmin 40khz，计算得到的固定频率差值δfreq＝freqmax-freqmin＝150khz-40khz＝110khz。
[0068]
进一步的，本技术实施例中，载波频率计算单元302具体可以用于：
[0069]
根据第一电压最大值和实时第一电压值，计算得到实时电压差值，实时电压差值用于表征第一电压最大值与实时第一电压值之间的差值；根据实时电压差值和第一电压最大值，计算得到实时电压比值，实时电压比值用于表征实时电压差值与第一电压最大值之间的比例关系；根据实时电压比值和固定频率差值两者的乘积，得到载波频率波动值；根据最小频率值和载波频率波动值，计算得到实时载波频率。
[0070]
可以理解，由于一个电源周期内第一电压信号具有最大值即第一电压最大值vdbmax，而实时第一电压值vdb是在0至第一电压最大值vdbmax之间随时间变化的电压值，因此，第一电压最大值vdbmax与实时第一电压值vdb之间的差值也是实时变化的，即实时电压差值是随时间变化的，该实时电压差值即为第一电压最大值vdbmax减实时第一电压值vdb得到的差值。
[0071]
由于实时电压比值是表征实时电压差值(vdbmax-vdb)与第一电压最大值vdbmax之间的比例关系，因此，实时电压比值为(vdbmax-vdb)/vdbmax，然后根据该实时电压比值(vdbmax-vdb)/vdbmax和固定频率差值δfreq两者的乘积，则可以得到载波频率波动值的计算式：
[0072]
δf＝δfreq*(vdbmax-vdb)/vdbmax。
[0073]
根据前述的载波频率波动值δf的计算式可以知道，当实时第一电压值vdb为0时，载波频率波动值δf等于固定频率差值δfreq；而当实时第一电压值vdb为峰值即第一电压最大值vdbmax时，载波频率波动值δf为0，由于实时载波频率需要被限制在频率区间内，则在得到载波频率波动值δf后，在载波频率波动值δf的基础之上加上最小频率值freqmin，则可以确保实时载波频率在最大频率值freqmax和最小频率值freqmin的频率区间内。
[0074]
综上，实时载波频率freqref的计算式可以表示为：
[0075]
freqref＝freqmin+δfreq*(vdbmax-vdb)/vdbmax
[0076]
具体的，当实时第一电压值vdb为0时，实时载波频率为最大频率值freqmax；而当实时第一电压值vdb为峰值即第一电压最大值vdbmax时，实时载波频率则为最小频率值freqmin，如此，便可以使一个电源周期内，实时第一电压值vdb越接近峰值时，实时载波频率越低，实时第一电压值vdb越接近零点时，实时载波频率越高，即实时载波频率可以随实时第一电压值vdb的变化而变化，相比于现有的固定高载波，既能够有效降低开关损耗，又能够确保降低谐波。
[0077]
如图4所示，图4是本技术实施例中基于现有技术的pfc控制方法的pfc仿真波形示意图，该pfc仿真波形是基于固定载波频率40khz的情况下仿真得到的交流电源ac的电流波形；而图5是本技术实施例中基于pfc载波频率控制装置的pfc仿真波形示意图，图5中的pfc仿真波形是实时载波频率在40khz至150khz之间变化的情况下仿真得到的交流电源ac的电流波形，比较图4和图5可以发现，在过零处即圆圈处，图5中的纹波电流远小于图4，因此，本技术实施例的pfc载波频率控制装置，在确保降低电流纹波和降低谐波的同时，还能够通过实时改变载波频率而降低功率器件的开关损耗。
[0078]
请继续参阅图2，在本技术一些实施例中，pfc载波频率控制装置800还可以包括控
制模块400，控制模块400分别与频率确定模块300和pfc电路100电连接；频率确定模块300还用于将实时载波频率传输至控制模块400；控制模块400可以用于根据实时载波频率控制pfc电路的功率器件工作。
[0079]
具体的，控制模块400可以输出pfc-pwm信号，用于控制功率器件q1的开关时间，本技术实施例中，频率确定模块300将实时载波频率传输至控制模块400，控制模块400基于接收到的实时载波频率计算功率器件q1的开关时间，从而控制功率器件q1工作。
[0080]
如图6所示，图6是本技术实施例中提供的pfc控制器的一个结构示意图。在上述实施例的基础之上，本技术还提供一种pfc控制器600，该pfc控制器600可以包括脉冲宽度调制模块601和第一方面的pfc载波频率控制装置800，pfc载波频率控制装置800用于输出实时载波频率，脉冲宽度调制模块601用于输出脉冲宽度调制信号，并根据实时载波频率调节脉冲宽度调制信号，以通过调节后的脉冲宽度调制信号控制pfc电路的功率器件工作。
[0081]
具体的，请继续参阅图6，pfc控制器600还可以包括占空比确定模块603，该占空比确定模块603分别与电参数获取模块200和脉冲宽度调制模块601电连接，实时电信号还包括母线电压信号和pfc电路的回路电流信号；
[0082]
占空比确定模块603可以用于根据母线电压信号、回路电流信号和第一电压信号，确定脉冲宽度调制信号的占空比，并将占空比传输至脉冲宽度调制模块601；
[0083]
脉冲宽度调制模块601还用于根据占空比调节脉冲宽度调制信号，以通过调节后的脉冲宽度调制信号控制pfc电路100的功率器件工作。
[0084]
本技术实施例中，占空比确定模块603可以基于现有的任一种pfc占空比计算方法计算脉冲宽度调制pwm信号的占空比，比如，根据母线电压信号、回路电流信号和第一电压信号再结合比例积分调节器，来计算pwm信号的占空比。
[0085]
在本技术一些实施例中，电参数获取模块200还可以包括母线电压采样单元203，该母线电压采样单元203分别与pfc电路100的输出端和占空比确定模块603电连接；母线电压采样单元203可以用于实时采样pfc电路100的母线电压信号，得到实时母线电压值，并将实时母线电压值传输至占空比确定模块603。
[0086]
如图3所示，该母线电压采样单元203可以与母线电容c1的第一端连接，即该母线电压采样单元203采样的母线电压信号为输出到负载的电压信号，根据该母线电压信号便可以得到每一个采样时刻的实时母线电压值。
[0087]
同样的，电参数获取模块200还可以包括回路电流采样单元204，该回路电流采样单元204分别与pfc电路100的功率器件输出端和占空比确定模块603电连接；回路电流采样单元204可以用于实时采样回路电流信号，得到实时回路电流值，并将实时回路电流值传输至占空比确定模块603。
[0088]
由于图3所示的pfc电路为单相boost型pfc电路，因此该回路电流采样单元204可以与功率器件q1的发射极连接，即该回路电流采样单元204采样的回路电流信号为流经功率器件q1的发射极的电流信号，根据该回路电流信号便可以得到每一个采样时刻的实时回路电流值。
[0089]
可以理解，若pfc电路为多相boost型pfc电路，则回路电流采样单元204采样的回路电流信号是流经每一相pfc电路中功率器件的发射极的电流信号之和。
[0090]
现有的pfc占空比计算方法可以是基于电压环和电流环的控制方法，具体的，占空
比确定模块603可以将实时母线电压值与一个固定的精准电压值进行比较，得到静态工作点的稳态值，然后基于比例积分调节器对其进行调节，使得输出的母线电压稳定在一个值；将采样得到的实时第一电压值和调节后的母线电压值两者的乘积作为外部电压环的反馈信号来给功率器件q1的内部电流环，即将实时第一电压值和调节后的母线电压值两者的乘积与实时回路电流值相结合，以实现电流跟随电压的目的，进而得到pwm信号的占空比。
[0091]
如图7所示，图7是本技术实施例中提供的空调器的一个结构示意图。在上述实施例的基础之上，本技术还提供一种空调器700，该空调器700可以包括外机控制器701，该外机控制器701可以包括pfc电路100以及上述任一实施例中的pfc载波频率控制装置800和/或上述任一实施例中的pfc控制器600，该pfc载波频率控制装置800用于控制pfc电路100的载波频率，以使得pfc电路100的功率器件q1基于调节后的载波频率工作；该pfc控制器600除了可以控制pfc电路100的载波频率，还可以控制pwm信号的占空比，以使得pfc电路100的功率器件q1基于根据调节后的载波频率和占空比得到的开关时间工作，以确保空调器700的正常运行。
[0092]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见上文针对其他实施例的详细描述，此处不再赘述。
[0093]
具体实施时，以上各个单元或结构可以作为独立的实体来实现，也可以进行任意组合，作为同一或若干个实体来实现，以上各个单元或结构的具体实施可参见前面的实施例，在此不再赘述。
[0094]
以上对本技术所提供的一种pfc载波频率控制装置、pfc控制器及空调器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上说明只是用于帮助理解本技术的电路及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本技术的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。