CN108462382A - Pfc电路、pfc电路控制方法及空调器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种PFC电路、PFC电路控制方法及空调器。PFC电路，包括电源、整流单元、电抗单元和开关单元，整流单元的交流端与电源连接，电抗单元的两端分别连接整流单元的一个直流端和开关单元，开关单元进一步连接至整流单元的另一直流端，形成PFC回路，所电抗单元包括至少两个并联连接的电抗器。电抗单元采用并联的电路结构，便于电抗器的使用通用化，避免单个大单抗器温升过高带来的安全隐患。该PFC电路可用于空调器。PFC电路控制方法，短路保护：当PFC回路电流增大时，切断PFC电路向负载的输出；断路保护：当PFC回路电感值减小时，降低PFC电路向负载的输出功率。

Description

PFC电路、PFC电路控制方法及空调器

技术领域

本发明涉及PFC控制领域，尤其涉及一种PFC电路、PFC电路控制方法及空调器。

背景技术

变频空调采用交流电转换为直流电，以驱动压缩机运转。PFC电路为用于变频空调的功率调节电路。现有技术中，单相电变频空调PFC电路结构如图1所示。包括电源1、整流单元2、电抗单元3和开关单元，其中电抗单元3一般采用一个电抗器，随着空调能力的做大，整机电流变大，单个电抗器载流量及体积也需要变大，造成电抗器本体发热会比较大，使用通用性不好，安全系数低。

当多个电抗器并联时，即便每个电抗器的电抗量是相同的，但每个电抗器本体还会存在一定的感量误差，会造成有以下隐患：并联的电抗器某一个短路，会造成功率器件损害；并联的电抗器某一个断路，整机电流会全部通过另一个电抗器，会有温升、磁饱和的危险，安全隐患增加，给用户带来很大的不安全性。

综上，需要研究一种适用于大功率变频空调、安全系数高的PFC电路及其控制方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种PFC电路、PFC电路的控制方法以及空调器。该发明解决了大功率空调器采用单个电抗器会造成的电抗器体积大、安全系数低的问题，通过改进PFC电路电抗单元的结构，以及PFC电路的控制方法，提高PFC电路输出的安全性能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种PFC电路，包括电源、整流单元、电抗单元和开关单元，整流单元的交流端与电源连接，电抗单元的两端分别连接整流单元的一个直流端和开关单元，开关单元进一步连接至整流单元的另一直流端，形成PFC回路，所述电抗单元包括至少两个并联连接的电抗器。

作为本发明的进一步优化，PFC电路进一步包括用于采集PFC回路电流的电流采样单元，用于采集电源供电电压的电压采样单元，以及主控器，所述主控器连接负载，包括：

采样模块：用于采集电流采样单元、电压采样单元采集的数据；

PFC电路保护模块：用以根据采样模块获取的数据生成PFC电路保护策略，以控制主控器对负载的输出。

作为本发明的进一步优化，PFC电路保护模块包括短路保护模块和/或断路保护模块，开关控制模块，以及，输出功率调节模块；

所述短路保护模块包括用于存储短路电流阈值的阈值存储单元，用于将采样电流与短路阈值进行比较的电流比较单元，以及，用于根据电流比较单元的输出结果生成短路控制信号的短路控制信号生成单元；所述开关控制模块根据短路控制信号生成用以控制开关单元状态的开关控制信号；

所述断路保护模块包括用于比较不同时刻相同电压相位条件下PFC回路电抗的电感比较单元，以及，用于根据电感比较单元的比较结果生成断路控制信号的断路控制信号生成单元；输出功率调节模块获取断路控制信号生成单元的信号，以生成输出功率调节信号。

作为本发明的进一步优化，主控器进一步包括用以根据采样单元采集的数据计算不同电压相位下电压值与PFC回路电抗值的电感计算单元，以及，用以记载不同电压相位下电压值与PFC回路电抗值对应关系的标准数据记录模块；所述电感计算单元计算的电压值与电抗之的对应关系数据存储在标准数据记录模块中。

本发明进一步提供一种PFC电路的控制方法，包括以下步骤：

短路保护：当PFC回路电流增大时，切断PFC电路向负载的输出；

和/或，

断路保护：当PFC回路电抗增大时，降低PFC电路向负载的输出功率。

作为本发明的进一步优化，短路保护进一步包括以下步骤：检测PFC回路电流，当回路电流超过电流阈值时，判断发生短路，PFC电路停止工作。

作为本发明的进一步优化，进一步设定过流时间阈值，当回路电流超过电流阈值，且过流时间超过过流时间阈值，PFC电路停止工作。

作为本发明的进一步优化，所述断路保护进一步包括以下步骤：当PFC回路的电感值与相同电压相位下的标准电感值相比，超过电感差阈值时，则判断发生断路。

作为本发明的进一步优化，不同电压相位下标准电感值的计算方法为：在PFC电路正常工作时，为开关单元施加PWM信号，按下式计算电感：

L＝E×dt/dI (1)

其中，E＝E1-E2,E1为电抗器与整流单元相接端的电压，E2为电抗器与开关单元相接端的电压，E为电抗器两端的电压；dt为开关单元导通的时间；dI为dt时间内流经电抗器的电流变化；

按电压相位与计算电感对应的关系，存储。

本发明进一步提供一种空调器，包括上述的PFC电路。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

(1)本发明设计了一种PFC电路电抗器并联的电路结构，便于电抗器的使用通用化，避免单个大单抗器温升过高带来的安全隐患。

(2)针对电抗器并联的电路形式，本发明同时采用一种新的PFC电路的控制方法，防止由于其中某个电抗器短路或断路造成电路故障，负载受损。实时监控PFC电路的电流和电抗，若有电抗器短路的情况，进行过流保护；若其中一个电抗器断路，处在整机进入降能力运转，使产品不会因故障停机，认可正常运转。

附图说明

图1为现有技术中PFC电路结构示意；

图2本发明PFC电路结构示意图；

图3为本发明标准电感值计算原理图；

图4标准电感值计算过程中电流变化波形图。

其中：1-电源，2-整流单元，3-电抗单元,301-电抗器，4-开关单元，5-主控MCU,6-空压机，7-电流采样电路，8-电压采样电路，9-电流采样电阻。

具体实施方式

以下，结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的描述。

本发明首先提供了一种PFC电路，该电路通过改进电抗单元的结构，满足大功率输出对电抗单元的需求，同时可提高PFC电路输出的安全性。

一种PFC电路，结构参考图2，包括电源1、整流单元2、电抗单元3和开关单元4，整流单元2的交流端与电源1连接，电抗单元3的两端分别连接整流单元2的一个直流端和开关单元4，开关单元4进一步连接至整流单元4的另一直流端，形成PFC回路。电抗单元3包括至少两个并联连接的电抗器301。本实施例中，整流单元2采用桥式二极管整流单元，开关单元4采用的为IGBT，电抗单元3采用两个电抗器301并联的，这种方式可以增大电抗量的同时，减小电抗单元本身的体积，进而在提高PFC电路大功率负载适用性的同时，减小电路体积。

作为本发明的进一步优化，为了保证PFC电路的正常工作，PFC电路进一步包括用于采集PFC回路电流的电流采样单元(对应本实施例中的电流采样电路7)，用于采集电源供电电压的电压采样单元(对应本实施例中的电压采样电路8)，以及主控器5(对应本实施例中的主控MCU)，主控器的输出端连接负载，主控器5包括：

采样模块：用于采集电流采样单元、电压采样单元采集的数据；即电流采样单元和电压采样单元采集的电流和电压数据将传递至主控器，以作为其进行PFC电路故障判断的依据；

PFC电路保护模块：用以根据采样模块获取的数据生成PFC电路保护策略，以控制主控器5对负载的输出。

PFC电路的保护策略主要是针对电抗单元的故障来采取保护措施。电抗单元的主要故障包括短路和断路，基于此，PFC电路保护模块包括短路保护模块和/或断路保护模块，用于控制开关单元开闭状态的开关控制模块，以及，用于控制负载输出功率输出功率调节模块。需要说明的是，可以根据设计需求选择设置短路保护模块或断路保护模块，本实施例中，为了提高PFC电路的安全性能，PFC电路保护模块包括短路保护模块和断路保护模块。

短路保护模块包括用于存储短路电流阈值的阈值存储单元，用于将采样电流与短路阈值进行比较的电流比较单元，以及，用于根据电流比较单元的输出结果生成短路控制信号的短路控制信号生成单元；开关控制模块根据短路控制信号生成用以控制开关单元状态的开关控制信号。具体的说，一但一个电抗器301或多个电抗器301发生短路，开关单元4处于导通的状态时，PFC回路的电流会从电源1正极、短路电抗器301、I GBT开关单元4流回电源负极，电流采样电阻9设置在开关单元4与整流单元2之间，其阻值一般在5-20mΩ，因此，此时PFC回路的电流非常大，因此，短路保护模块主要基于PFC回路的电流来判断是否发生短路故障。开关控制模块可控制IGBT开关单元4的导通状态，在短路时，可控制其不导通。

断路保护模块包括用于比较不同时刻相同电压相位条件下PFC回路电抗的电感比较单元，以及，用于根据电感比较单元的比较结果生成断路控制信号的断路控制信号生成单元；输出功率调节模块获取断路控制信号生成单元的信号，以生成输出功率调节信号。具体的说，当电抗器产生断路时，PFC回路的电感将发生变化，因此短路保护模块将基于PFC回路中电感的变化来判断是否发生断路故障。同时，考虑到电感的大小与电压的相位有关，因此在比较电感时，进一步考虑基于相同的电压相位条件进行电感进行比较。

作为本发明的进一步优化，主控器进一步包括用以根据采样单元采集的数据计算不同电压相位下电压值与PFC回路电抗值的电感计算单元，以及，用以记载不同电压相位下电压值与PFC回路电抗值对应关系的标准数据记录模块；电感计算单元计算的电压值与电抗之的对应关系数据存储在标准数据记录模块中。在进行断路保护的判断时，根据当前电压相位，在标准数据记录模块中查找其对应的电感值，用以跟当前计算的电感值进行比较，若电感值变化较大，则判断其发生断路故障。

本发明进一步提供一种PFC电路的控制方法，用于PFC电路故障时，对负载输出的保护，避免负载运行故障，控制方法包括以下步骤：

短路保护：当PFC回路电流增大时，切断PFC电路向负载的输出；

和/或，

断路保护：当PFC回路电抗增大时，降低PFC电路向负载的输出功率。

具体到本实施例，PFC电路保护模块包括短路保护模块和断路保护模块，因此，控制方法包括短路保护方法和断路保护方法。

作为本发明的进一步优化，短路保护进一步包括以下步骤：检测PFC回路电流，当回路电流超过电流阈值时，判断发生短路，PFC电路停止工作。具体的说，主控器采集电流采样单元7采集的电流值，并与主控器内存储的电流阈值进行比较，若电流值超过电流阈值，则认为PFC电路发生短路。短路情况下，PFC回路电流大，因此，将切断PFC电路向负载的输出。具体的实现方法为，主控器5不再向IGBT开关单元4发送开端导通信息，使开关单元4处于非导通的状态，主控器5不向负载输出。

作为本发明的进一步优化，进一步设定过流时间阈值，当回路电流超过电流阈值，且过流时间超过过流时间阈值，PFC电路停止工作。采用这种方法主要是考虑到电路的瞬间拨动、外界的瞬间干扰，也会使PFC回路电流产生瞬时变化，避免在这种情况下发生短路误判。

作为本发明的进一步优化，断路保护进一步包括以下步骤：当PFC回路的电感值与相同电压相位下的标准电感值相比，超过电感差阈值时，则判断发生断路。

具体的说，电抗器301并联正常、负载正常工作时，主控器5采集交流输入电压、整机电流，计算出交流输入电压与电抗器电感量的对应关系，作为基础数据库。交流输入电压、整机电流的宏观波形见。当其中一个电抗器断路后，在输入电压瞬时数值相同时，或者是在输入电压相位45°时，主控MCU采集计算出的电感量与基础数据对比，基础数据也是相同输入电压值或相位45°对应的电感量，电感量值会有很大差异，主控mcu判断出有电抗器短路的情况，整机进行降能力运行，按照使用一个电抗器的情况进行运转。

作为本发明的进一步优化，不同电压相位下标准电感值的具体计算方法为：在PFC电路正常工作时，主控器5为开关单元4施加PWM信号，按下式计算电感：

L＝E×dt/dI (1)

参考图3，其中，E＝E1-E2,E1为电抗器301与整流单,2相接端的电压，E2为电抗器301与开关单元4相接端的电压，E为电抗器301两端的电压；dt为开关单元4导通的时间；dI为dt时间内流经电抗器的电流变化；

按电压相位与计算电感对应的关系，存储。

具体说，计算的原理为：主控器5采集多个周期内的交流输入电压，交流输入电流，并根据主控器5向开关单元4发出的PFC-PWM信号频率、占空比，根据电感感应电动势对应关系公式：E＝L×dI/dt,可得L＝E×dt/dI，可以计算出交流电压一个周期内每一时刻或每一相位对应的电感量。

dt是主控器5发出的PFC-PWM信号的高电平导通时间；

在dt时间内(即t2-t1)，PFC-PWM是高电平，IGBT的CE导通。CE间的导通电压、整流二极管V1和V4导通电压一般在2V以内，可以忽略不计；则E＝E1-E2＝Vac，Vac为dt时间内交流输入电压瞬时峰值。

dI为dt为主控器5时间内(即t2-t1)流经总电抗器301的电流变化值，可通过电流采样电路采集并计算，也是dt时间内整机电流的变化值，电流变化波形见图4。

基于上述的PFC电路的控制方法，可以实现PFC电路的短路和断路的保护，进而提高负载运行的安全性。

本发明进一步提供一种空调器，具体为变频空调器，包括上述的PFC电路。PFC电路用于驱动变频空调器工作，主控器5的负载输出端与空调器的压缩机连接。在发生短路故障时，停止向压缩机输出能量，空调停止运转；在发生断路故障时，调节向压缩机的输出能量，空调降能运转。采用这种电路的变频空调，安全系数高，可提高用户使用品质。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种PFC电路，包括电源、整流单元、电抗单元和开关单元，整流单元的交流端与电源连接，其特征在于，电抗单元的两端分别连接整流单元的一个直流端和开关单元，开关单元进一步连接至整流单元的另一直流端，形成PFC回路，所述电抗单元包括至少两个并联连接的电抗器。

2.如权利要求1所述的PFC电路，其特征在于，PFC电路进一步包括用于采集PFC回路电流的电流采样单元，用于采集电源供电电压的电压采样单元，以及主控器，所述主控器连接负载，包括：

采样模块：用于采集电流采样单元、电压采样单元采集的数据；

PFC电路保护模块：用以根据采样模块获取的数据生成PFC电路保护策略，以控制主控器对负载的输出。

3.如权利要求2所述的PFC电路，其特征在于，PFC电路保护模块包括短路保护模块和/或断路保护模块，用于控制开关单元开闭状态的开关控制模块，以及，用于控制负载输出功率输出功率调节模块；

所述短路保护模块包括用于存储短路电流阈值的阈值存储单元，用于将采样电流与短路阈值进行比较的电流比较单元，以及，用于根据电流比较单元的输出结果生成短路控制信号的短路控制信号生成单元；所述开关控制模块根据短路控制信号生成用以控制开关单元状态的开关控制信号；

所述断路保护模块包括用于比较不同时刻相同电压相位条件下PFC回路电抗的电感比较单元，以及，用于根据电感比较单元的比较结果生成断路控制信号的断路控制信号生成单元；输出功率调节模块获取断路控制信号生成单元的信号，以生成输出功率调节信号。

4.如权利要求3所述的PFC电路，其特征在于，所述主控器进一步包括用以根据采样单元采集的数据计算不同电压相位下电压值与PFC回路电抗值的电感计算单元，以及，用以记载不同电压相位下电压值与PFC回路电抗值对应关系的标准数据记录模块；所述电感计算单元计算的电压值与电抗之的对应关系数据存储在标准数据记录模块中。

5.一种PFC电路保护方法，基于权利要求1至4中任意一项所述的PFC电路，其特征在于，包括以下步骤：

短路保护：当PFC回路电流增大时，切断PFC电路向负载的输出；

和/或，

断路保护：当PFC回路电感值减小时，降低PFC电路向负载的输出功率。

6.如权利要求5所述的PFC电路保护方法，其特征在于，所述短路保护进一步包括以下步骤：检测PFC回路电流，当回路电流超过电流阈值时，判断发生短路，PFC电路停止工作。

7.如权利要求6所述的PFC电路保护方法，其特征在于，进一步设定过流时间阈值，当回路电流超过电流阈值，且过流时间超过过流时间阈值，PFC电路停止工作。

8.如权利要求5所述的PFC电路保护方法，其特征在于，所述断路保护进一步包括以下步骤：当PFC回路的电感值与相同电压相位下的标准电感值相比，超过电感差阈值时，则判断发生断路。

9.如权利要求8所述的PFC电路保护方法，其特征在于，不同电压相位下标准电感值的计算方法为：在PFC电路正常工作时，为开关单元施加PWM信号，按下式计算电感：

L＝E×dt/dI (1)

其中，E＝E1-E2,E1为电抗器与整流单元相接端的电压，E2为电抗器与开关单元相接端的电压，E为电抗器两端的电压；dt为开关单元导通的时间；dI为dt时间内流经电抗器的电流变化；

按电压相位与计算电感对应的关系，存储。

10.一种空调器，包括权利要求1至4中任意一项所述的PFC电路。