PFC控制装置及空调器的制作方法

pfc控制装置及空调器
技术领域
1.本技术涉及空调器技术领域，具体涉及一种pfc控制装置及空调器。


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控制装置及空调器，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控制装置，该pfc控制装置包括电性连接的电参数采样模块和控制模块，电参数采样模块和控制模块分别与功率因数校正pfc电路电连接；
7.电参数采样模块，用于采样pfc电路运行时的实时电信号，根据实时电信号得到对应的实时电参数；
8.控制模块，用于根据实时电参数和预设的载波频率区间确定参考时间和控制信号的占空比，并根据参考时间和占空比确定控制信号的载波频率，以通过基于载波频率和占空比的控制信号控制pfc电路，参考时间用于表征控制信号处于高电平的最大时间量。
9.在本技术一种可能的实现方式中，电参数采样模块包括交流电压采样单元和母线电压采样单元，交流电压采样单元与pfc电路的电源输入端电连接，母线电压采样单元与pfc电路的输出端电连接；
10.交流电压采样单元，用于实时采样输入pfc电路的交流电压信号，根据交流电压信号得到电源周期内交流电压信号的交流电压峰值，并将交流电压峰值输出至控制模块；
11.母线电压采样单元，用于实时采样pfc电路的输出电压信号，根据输出电压信号得到对应的实时输出电压值输出至控制模块。
12.在本技术一种可能的实现方式中，载波频率区间包括载波频率最小值，控制模块具体用于：根据交流电压峰值、实时输出电压值和载波频率最小值确定参考时间。
13.在本技术一种可能的实现方式中，控制模块包括参考时间计算单元，参考时间计
算单元用于：
14.根据交流电压峰值和实时输出电压值，计算得到电压比例，电压比例用于表征交流电压峰值和实时输出电压值的比例关系；
15.将预设的比较值与电压比例进行差运算，得到差值结果；
16.根据差值结果和载波频率最小值，计算得到参考时间。
17.在本技术一种可能的实现方式中，电参数采样模块还包括回路电流采样单元，回路电流采样单元与pfc电路的电源输出端电连接；
18.回路电流采样单元，用于实时采样pfc电路的回路电流信号，根据回路电流信号得到对应的实时回路电流值输出至控制模块；
19.交流电压采样单元，还用于根据交流电压信号得到对应的实时交流电压值输出至控制模块。
20.在本技术一种可能的实现方式中，控制模块具体用于：根据实时输出电压值、实时交流电压值和实时回路电流值确定占空比。
21.在本技术一种可能的实现方式中，控制模块包括占空比计算单元，占空比计算单元用于：
22.根据实时输出电压值和预设的第一比例积分调节器，得到第一参考值；
23.根据第一参考值和实时交流电压值的乘积，得到电流参考值；
24.根据电流参考值、实时回路电流值和预设的第二比例积分调节器，得到占空比。
25.在本技术一种可能的实现方式中，控制模块还包括载波频率计算单元；
26.载波频率计算单元，用于对参考时间和占空比进行除法运算，得到载波频率。
27.在本技术一种可能的实现方式中，载波频率区间包括载波频率最大值，载波频率不小于载波频率最小值，并且不大于载波频率最大值。
28.第二方面，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控制装置，该pfc控制装置用于输出控制信号以控制pfc电路工作。
29.从以上内容可得出，本技术具有以下的有益效果：
30.本技术中，通过电参数采样模块采样pfc电路运行时的实时电信号，进而得到对应的实时电参数，控制模块根据实时电参数和载波频率区间确定参考时间和控制信号的占空比，由于该参考时间表示的是控制信号处于高电平的最大时间量，因此，基于该参考时间和计算得到的占空比可以确定控制信号的载波频率，进而使控制信号基于该载波频率和占空比输出到pfc电路，以控制pfc电路工作，相较于现有技术始终采用高载频的控制信号对pfc电路进行控制来说，本技术中载波频率可以随参考时间和占空比的变化而变化，避免了高载频使功率器件的开关损耗增加的问题，并且由于预设有载波频率区间，可以确保控制信号的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
31.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。
32.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；
33.图2是本技术实施例中提供的pfc控制装置的一个结构示意图；
34.图3是本技术实施例中提供的pfc控制装置的另一个结构示意图；
35.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；
36.图5是本技术实施例中基于pfc控制装置的pfc仿真波形示意图；
37.图6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
38.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。
39.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。
40.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。
41.在介绍本技术的pfc控制装置及空调器之前，首先对本技术中涉及的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。
42.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。
43.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。
44.基于上述的pfc电路100，接下来，对本技术提供的pfc控制装置及空调器进行详细介绍。
45.如图2所示，图2是本技术实施例中提供的pfc控制装置的一个结构示意图，该pfc控制装置200包括电性连接的电参数采样模块300和控制模块400，电参数采样模块300和控制模块400分别与功率因数校正pfc电路100电连接。
46.该电参数采样模块300可以用于采样pfc电路100运行时的实时电信号，根据实时电信号得到对应的实时电参数。
47.该控制模块400可以用于根据实时电参数和预设的载波频率区间确定参考时间和控制信号的占空比，并根据参考时间和占空比确定控制信号的载波频率，以通过基于载波频率和占空比的控制信号控制pfc电路100，参考时间可以用于表征控制信号处于高电平的最大时间量。
48.本技术实施例中，控制模块400输出的控制信号可以是脉冲宽度调制pwm信号，即本技术实施例的pfc控制装置200可以通过调节pwm信号的载波频率和占空比来控制pfc电路100的功率器件q1的开关频率，从而实现对pfc电路100的控制。
49.由于电参数采样模块300可以用于采样pfc电路运行时的实时电信号，因此，该电参数采样模块300可以直接与pfc电路100电连接，可以理解，pfc电路100运行时的实时电信号可以包括输入该pfc电路的交流电压信号、该pfc电路100输出的电压信号以及该pfc电路100的回路电流信号，相对应的，实时电参数则可以包括实时交流电压值、实时输出电压值以及实时回路电流值。
50.可以理解，控制信号的占空比的计算方法可以采用现有的任一种pfc占空比计算方法，比如有源功率因数校正(active power factor correction，apfc)控制算法、单周期pfc控制算法等，本技术实施例中，可以根据实时交流电压值、实时输出电压值以及实时回路电流值再结合比例积分调节器，来计算控制信号即pwm信号的占空比。
51.本技术实施例中，参考时间可以表征控制信号处于高电平的最大时间量，控制模块400根据该参考时间和占空比确定控制信号的载波频率，可以使载波频率随参考时间和占空比的变化而变化，并且该参考时间是根据上述的实时电参数和预设的载波频率区间计算得到的，因此，控制信号的载波频率也可以是随实时电参数的变化而变化，从而可以通过变化的载波频率结合占空比对控制信号进行调节，通过调节后的控制信号对pfc电路100进行控制。
52.本技术实施例中，通过电参数采样模块300采样pfc电路100运行时的实时电信号，进而得到对应的实时电参数，控制模块400根据实时电参数和载波频率区间确定参考时间和控制信号的占空比，由于该参考时间表示的是控制信号处于高电平的最大时间量，因此，基于该参考时间和计算得到的占空比可以确定控制信号的载波频率，进而使控制信号基于该载波频率和占空比输出到pfc电路100，以控制pfc电路100工作，相较于现有技术始终采用高载频的控制信号对pfc电路100进行控制来说，本技术实施例中载波频率可以随参考时
间和占空比的变化而变化，避免了高载频使功率器件q1的开关损耗增加的问题，并且由于预设有载波频率区间，可以确保控制信号的载波频率始终处于预设的频率区间内，保证了pfc电路100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。
53.请参阅图3，图3是本技术实施例中提供的pfc控制装置的另一个结构示意图，在本技术一些实施例中，电参数采样模块300可以包括交流电压采样单元301和母线电压采样单元302，交流电压采样单元301与pfc电路100的电源输入端电连接，母线电压采样单元302与pfc电路100的输出端电连接；
54.交流电压采样单元301可以用于实时采样输入pfc电路100的交流电压信号，根据交流电压信号得到电源周期内交流电压信号的交流电压峰值，并将交流电压峰值输出至控制模块400。
55.母线电压采样单元302可以用于实时采样pfc电路100的输出电压信号，根据输出电压信号得到对应的实时输出电压值输出至控制模块400。
56.由于交流电压采样单元301可以实时采样输入pfc电路100的交流电压信号，因此，该交流电压采样单元301可以是与电感l1的第一端连接，即交流电压采样单元301连接于整流桥db与电感l1之间，该交流电压信号则是经过整流桥db整流后的交流电压信号，此时，交流电压信号的波形为正馒头波。
57.可以理解的，交流电压采样单元301也可以是与交流电源ac的输出端连接，即交流电压采样单元301连接于交流电源ac与整流桥db之间，此时，该交流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。
58.以交流电压采样单元301连接在整流桥db与电感l1之间为例进行说明，可以理解，此时，交流电压信号为经整流桥db整流后的呈正馒头波形的交流电压信号。电压采样就是采集监测点的电压值，因此，交流电压采样单元301采集的便是输入到电感l1的实时交流电压值。该交流电压采样单元301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。
59.以一个电源周期为例，由于交流电压信号是经整流桥db整流后的交流电压信号，因此，交流电压信号具有波峰，即在该电源周期内具有最大值，此处最大值可以表征交流电压信号的有效值。本技术实施例中，交流电压采样单元301可以对交流电压信号进行解析，从而确定该交流电压信号的最大值，该最大值即为交流电压峰值。
60.本技术实施例中，交流电压采样单元301中可以集成有峰值检测器，该峰值检测器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交流电压峰值，而数字峰值检测器则是可以直接从交流电压信号中筛选出交流电压峰值。
61.请继续参阅图3，由于母线电压采样单元302可以实时采样pfc电路100的输出电压信号，因此，该母线电压采样单元302可以与母线电容c1的第一端连接，即该母线电压采样单元302采样的母线电压信号为输出到负载的电压信号，根据该输出电压信号便可以得到每一个采样时刻对应的实时输出电压值。
62.可以理解，与交流电压采样单元301类似，本实施例中的母线电压采样单元302也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，具体此处不做
限定。
63.在本技术一些实施例中，预设的载波频率区间可以包括载波频率最小值，控制模块400具体可以用于根据交流电压峰值、实时输出电压值和载波频率最小值确定参考时间。
64.进一步的，控制模块400可以包括参考时间计算单元401，该参考时间计算单元401具体可以用于：
65.根据交流电压峰值和实时输出电压值，计算得到电压比例，电压比例用于表征交流电压峰值和实时输出电压值的比例关系；将预设的比较值与电压比例进行差运算，得到差值结果；根据差值结果和载波频率最小值，计算得到参考时间。
66.由于电压比例可以表征交流电压峰值和实时输出电压值的比例关系，因此，通过交流电压采样单元301得到交流电压峰值vdbmax，以及通过母线电压采样单元302得到实时输出电压值vbus之后，参考时间计算单元401可以获取前述的交流电压峰值vdbmax和实时输出电压值vbus，然后将交流电压峰值vdbmax除以实时输出电压值vbus，即得到电压比例vdbmax/vbus，由于交流电压峰值vdbmax是输入pfc电路100的交流电压信号的最大值，而pfc电路100具有升压作用，即pfc电路100的输出电压会大于输入电压，因此，实时输出电压值vbus会大于交流电压峰值vdbmax，也就是说电压比例vdbmax/vbus的值小于1。
67.本技术实施例中，预设的比较值可以设定为1，则将预设的比较值与电压比例进行差运算得到的差值结果，便是1与电压比例vdbmax/vbus之间的差，即差值结果＝1-vdbmax/vbus，由于pfc电路的升压作用，可以确定电压比例vdbmax/vbus的值小于1，因此，可以进一步确定差值结果大于0且小于1，然后根据差值结果(1-vdbmax/vbus)和载波频率最小值freqmin之间的比例关系，便可以得到参考时间dutytimebase，即参考时间dutytimebase＝(1-vdbmax/vbus)/freqmin。
68.请继续参阅图3，在本技术一些实施例中，电参数采样模块300还可以包括回路电流采样单元303，该回路电流采样单元303与pfc电路100的电源输出端电连接。
69.回路电流采样单元303可以用于实时采样pfc电路100的回路电流信号，根据回路电流信号得到对应的实时回路电流值输出至控制模块400。
70.交流电压采样单元301还可以用于根据交流电压信号得到对应的实时交流电压值输出至控制模块400。
71.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303可以与功率器件q1的发射极连接，即该回路电流采样单元303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对应的实时回路电流值。
72.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303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。
73.本技术实施例中，交流电压采样单元301除了输出交流电压峰值vdbmax至控制模块400，还可以根据采样得到的交流电压信号得到每一个采样时刻对应的实时交流电压值。
74.在本技术一些实施例中，控制模块400具体还可以用于根据实时输出电压值、实时交流电压值和实时回路电流值确定占空比。
75.进一步的，控制模块400可以包括占空比计算单元402，该占空比计算单元402可以用于：
76.根据实时输出电压值和预设的第一比例积分调节器，得到第一参考值；根据第一参考值和实时交流电压值的乘积，得到电流参考值；根据电流参考值、实时回路电流值和预设的第二比例积分调节器，得到占空比。
77.本技术实施例中，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，占空比计算单元402可以将实时输出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，然后基于第一比例积分调节器对该稳态值进行调节，使得输出的母线电压也就是输出电压稳定在一个值即第一参考值；然后根据采样得到的实时交流电压值和第一参考值两者的乘积得到电流参考值，该电流参考值可以作为外部电压环的反馈信号反馈给功率器件q1的内部电流环，即将电流参考值与实时回路电流值相结合，再基于第二比例积分调节器对电流参考值与实时回路电流值的差进行调节，以实现电流跟随电压的目的，进而得到控制信号的占空比dutyratio。
78.如图3所示，在本技术一些实施例中，控制模块400还可以包括载波频率计算单元403，该载波频率计算单元403可以用于对参考时间和占空比进行除法运算，得到载波频率，具体的，载波频率freqref的计算式可以是：
79.freqref＝dutyratio/dutytimebase＝dutyratio*freqmin/(1-vdbmax/vbus)
80.另外，值得注意的是，本技术实施例中，载波频率区间还可以包括载波频率最大值freqmax，则本实施例中的载波频率区间为[freqmin，freqmax]，当载波频率计算单元403计算得到载波频率freqref后，还可以判断该载波频率freqref是否在设定的载波频率区间[freqmin，freqmax]内，若确定载波频率freqref在该载波频率区间[freqmin，freqmax]内，则可以通过该载波频率freqref调节控制信号，否则重新计算载波频率或者基于设定的载波频率值对控制信号进行调节。
[0081]
可以理解，载波频率区间可以用于限制载波频率的取值，最终的载波频率被限制在设定的载波频率区间内，即载波频率最大不超过载波频率最大值，最小不低于载波频率最小值，因此，载波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。
[0082]
假设本实施例中载波频率区间设定为[40，150]khz，则载波频率最大值freqmax为150khz，载波频率最小值freqmin为40khz，即最终得到的载波频率在40khz至150khz的范围之内，即最大不超过150khz，最小不低于40khz。
[0083]
本技术实施例中，由于预设有载波频率区间，可以确保载波频率始终处于预设的载波频率区间内，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。
[0084]
通过本技术实施例可以使一个电源周期内，实时交流电压值越接近峰值时，占空比越小，从而载波频率越低，实时交流电压值越接近零点时，占空比越大，从而载波频率越高，即载波频率可以随实时交流电压值的变化而变化，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。
[0085]
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控制装置的pfc仿真波形示意图，图5中的pfc仿真波形是载波频率在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。
[0086]
如图6所示，图6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600，该空调器600可以包括外机控制器601，该外机控制器601可以包括pfc电路100以及上述任一实施例中的pfc控制装置200，该pfc控制装置200可以用于输出基于载波频率和占空比的控制信号，以使得pfc电路100的功率器件q1基于调节后的控制信号确定开关时间，以确保空调器600的正常运行。
[0087]
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。
[0088]
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。
[0089]
以上对本技术所提供的一种pfc控制装置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。