CN112769325A - 功率因数校正电路、外机控制器及空调器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种功率因数校正电路、外机控制器及空调器，该电路包括：整流电路及功率因数校正开关电路；整流电路包括整流桥，整流桥的输入端连接交流工作电压，整流桥的直流输出正极连接功率因数校正开关电路；功率因数校正开关电路包括碳化硅金氧半场效晶体管、串联的电感及碳化硅肖特基二极管；碳化硅金氧半场效晶体管的漏极连接至电感与碳化硅肖特基二极管之间，源极与整流桥的直流输出负极连接，栅极与栅极驱动器集成电路连接。本发明采用SiC器件代替原有电路中的Si器件，可以提高开关频率以及间接减少其他器件例如电感、散热器的体积，降低整个控制器的体积，使得控制器效率提高且体积减小。

Description

功率因数校正电路、外机控制器及空调器
技术领域
本发明涉及空调技术领域，具体而言，涉及一种功率因数校正电路、外机控制器及空调器。
背景技术
目前空调上，外机控制器上的功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)电路，使用硅Si材料的绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)和硅材料快恢复二极管(Fast Recovery Diode，FRD)。
现有基于Si器件的PFC电路的开关频率低，PFC电感感量大体积大，导致控制器体积大、效率低。
发明内容
本发明解决的问题是现有基于Si器件的PFC电路的开关频率低，以及PFC电感感量大体积大导致控制器体积大、效率低的问题。
为解决上述问题，本发明提供一种功率因数校正电路，应用于空调器，包括：整流电路及功率因数校正开关电路；所述整流电路包括整流桥，所述整流桥的输入端连接交流工作电压，所述整流桥的直流输出正极连接所述功率因数校正开关电路；所述功率因数校正开关电路包括碳化硅金氧半场效晶体管、串联的电感及碳化硅肖特基二极管；所述碳化硅金氧半场效晶体管的漏极连接至所述电感与所述碳化硅肖特基二极管之间，源极与所述整流桥的直流输出负极连接，栅极与栅极驱动器集成电路连接。
本发明采用SiC器件代替原有电路中的Si器件，可以提高开关频率以及间接减少其他器件例如电感、散热器的体积，降低整个控制器的体积，使得控制器效率提高且体积减小。
可选地，还包括保护电路；所述保护电路包括串联的第一电阻及单向导通元件；所述第一电阻及所述单向导通元件串联后与串联的所述电感及所述碳化硅肖特基二极管并联；所述单向导通元件的导通方向与所述碳化硅肖特基二极管的导通方向相同。
本发明针对电网波动提供了保护电路，可以避免SiC SBD等控制器器件损坏，提高可靠性。
可选地，所述功率因数校正电路中的最大电流为Imax，所述电感及所述碳化硅肖特基二极管的第一总阻值R总1，所述电阻及所述单向导通元件的第二总阻值R总2，所述碳化硅肖特基二极管的峰值电流最大值ISBD，R总1及R总2满足以下条件：
ImaxR总2/(R总1+R总2)≤ISBD。
本发明限定了保护电路中电阻及单向导通元件，与功率因数校正开关电路中SiCSBD及电感之间电阻的关系，可以保证上述器件都不会受到浪涌电流的损坏。
可选地，所述功率因数校正电路中的最大电流为Imax，所述电感及所述碳化硅肖特基二极管的第一总阻值R总1，所述电阻及所述单向导通元件的第二总阻值R总2，所述碳化硅肖特基二极管的峰值电流最大值I保护，R总1及R总2满足以下条件：
ImaxR总1/(R总1+R总2)≤I保护。
本发明限定了保护电路中电阻及单向导通元件，与功率因数校正开关电路中SiCSBD及电感之间电阻的关系，可以保证上述器件都不会受到浪涌电流的损坏。
可选地，所述单向导通元件为整流二极管或单向可控硅。
本发明提供了单向导通元件的具体类型，可以起到保护SiC SBD等控制器器件的作用。
可选地，还包括滤波电容；所述滤波电容连接于所述直流输出正极与所述直流输出负极之间。
本发明提供的电路包括整流滤波电路的滤波电容，用于高频滤波及实现PFC电路的对输入电流波形进行控制的功能。
可选地，还包括电解电容；所述电解电容连接于所述碳化硅肖特基二极管的负极与接地之间。
本发明提供的电路包括电解电容，用于实现PFC电路的对输入电流波形进行控制的功能。
可选地，还包括第二电阻及保护电容；所述第二电阻及所述保护电容串联后与所述碳化硅肖特基二极管并联。
本发明提供的电路还包括电阻及电容等器件，用于实现PFC电路的对输入电流波形进行控制的功能。
本发明提供一种外机控制器，应用于空调器，包括上述功率因数校正电路。
本发明提供一种空调器，包括上述外机控制器。
本发明的外机控制器及空调器，可以与上述功率因数校正电路达到相同的技术效果。
附图说明
图1为本发明的一个实施例提供的一种功率因数校正电路的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
在本实施例中使用SiC器件代替Si器件，包括：使用碳化硅SiC金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)代替Si IGBT器件，使用SiC肖特基二极管(Schottky Barrier Diode，SBD)代替Si FRD。SiC MOSFET具有的高耐压、低阻抗、高频性、低损耗、耐高温等特性；SiC SBD反向恢复时间非常小，反向电流很小，也具有高耐压、低阻抗、高频性、低损耗、耐高温等特性。
图1是本发明的功率因数校正电路的结构示意图，应用于空调器，示出了整流电路100及功率因数校正开关电路200。
整流电路100包括整流桥BG，该整流桥BG的输入端2、3连接交流工作电压，整流桥的直流输出正极1连接功率因数校正开关电路200。
功率因数校正开关电路200包括碳化硅金氧半场效晶体管SiC MOSFET、串联的电感L1及碳化硅肖特基二极管SiC SBD。
进一步，碳化硅金氧半场效晶体管SiC MOSFET的漏极D连接至电感L1与碳化硅肖特基二极管SiC SBD之间，源极S与整流桥的直流输出负极2连接，栅极G与栅极驱动器集成电路IC连接。
本实施例提供的功率因数校正电路，采用SiC器件代替原有电路中的Si器件，可以提高开关频率以及间接减少其他器件例如电感、散热器的体积，降低整个控制器的体积，使得控制器效率提高且体积减小。
考虑到虽然SiC SBD与Si FRD相比，具备非常明显的优势，然而SiC SBD的抗浪涌电流能力较差。SiC SBD的最大耐浪涌电流值比硅的Si FRD要低很多，因此在电网波动导致电压跌落时，会产生较大的浪涌电流，对SiC SBD以及整流电路等PFC电路上器件产生冲击，损坏SiC SBD或者减少器件的使用寿命。
由于电网波动导致电压跌落，进而对控制器上器件造成损坏或影响使用寿命的问题，往往被忽视。日常生活中时常出现这种现象，照明灯突然变暗，然后又恢复正常；很多工业园也有这种情况，局部电网质量很差，因为工业园中有很多小公司，有很多大小不一的功率设备，不间断的各自启动，大大小小的功率设备启动对电网电压造成波动，电网电压波动造成的电压跌落，实际上会造成浪涌电流，对空调控制器上的器件造成冲击，会影响器件使用寿命或者直接损坏器件，对局部电网的质量影响很大，不仅谐波含量大，电压也不稳定，也就是说空调实际的使用环境更加恶劣，因此针对电网的频繁波动，当使用SiC SBD器件代替Si FRD时，由于SiC SBD的最大耐浪涌电流值比Si FRD要低很多，必须要设计一个抗浪涌电流的保护电路，避免器件损坏，提高可靠性。
基于上述原因，本实施例的功率因数校正电路还设计了针对SiC SBD的保护电路。如图1所示，该保护电路300包括串联的第一电阻R1及单向导通元件D1。
第一电阻R1及单向导通元件D1串联后与串联的电感L1与碳化硅肖特基二极管SiCSBD并联；单向导通元件D1的导通方向与碳化硅肖特基二极管SiC SBD的导通方向相同。可选地，上述单向导通元件D1为整流二极管或单向可控硅。上述保护电路可以避免SiC SBD等控制器器件损坏，提高可靠性。
当电网电压正常时，PFC电路正常工作，A点电压310V左右，B点电压380V左右，即SiC SBD左边电势低，右边高，因此SiC SBD不会导通，电流不会流过D1和R1，当MOSFET开通时，电流经过路径②和路径④，给电感储能，当MOSFET关闭时，电流流过路径②和路径③，给电解电容E1和E2充电升压，将电感L1的能量转移到E1和E2中。此时，抗浪涌电流冲击保护电路(即D1和R1串联电路)不参与工作。
当电网电压波动造成电压跌落，即A点的电压跌落，B点的电压因负载持续消耗，电压下降，如B点电压从380V降低至200V。若此时电网电压恢复正常，A点电压恢复到310V左右，而B点电压200V。此时A点电压高于与B点电压，且有310V-200V＝110V的电压差，加在PFC电感L1和SiC SBD的两端，而此时电路阻抗很低，如果没有抗浪涌电流冲击保护电路(即D1和R1串联电路)，那么瞬间的大电流全部经过路径③，很容易就超过SiC SBD的抗浪涌重复峰值电流最大值，造成SiC SBD损坏，但加上抗浪涌电流冲击保护电路，就可以通过路径①分流，即经过D1和R1分流，从而避免SiC SBD损坏。
路径①和路径③的分流比例与两路径上的器件选型以及步板走线有关，对于不同的布板走线时，线路上的寄生电感、寄生电容不同，其器件参数也不同。
R1和D1是可以根据实际布板走线和实测结果可以灵活调整的，选择合适的R1和D1可以有效保证路径①和路径③按合理的比例分流，同时保障D1和SiC SBD都不会受到浪涌电流的损坏。
可选地，若功率因数校正电路中的最大电流为Imax，电感及碳化硅肖特基二极管的第一总阻值R总1，电阻及单向导通元件的第二总阻值R总2，碳化硅肖特基二极管的峰值电流最大值ISBD，R总1及R总2满足以下条件：
ImaxR总2/(R总1+R总2)≤ISBD。
可选地，功率因数校正电路中的最大电流为Imax，电感及碳化硅肖特基二极管的第一总阻值R总1，电阻及单向导通元件的第二总阻值R总2，碳化硅肖特基二极管的峰值电流最大值I保护，R总1及R总2满足以下条件：
ImaxR总1/(R总1+R总2)≤I保护。
如图1所示，在PFC电路中还包括滤波电容C1，用于高频滤波，该滤波电容C1连接于直流输出正极1与直流输出负极4之间。
在图1中还示出了PFC电路中包括两个电解电容E1、E2，两个电解电容E1、E2连接于SiC SBD的负极与接地GND之间，用于充电及放电。
在图1中还示出了多个第二电阻R2-R7及保护电容C2；多个第二电阻及保护电容串联后与SiC SBD并联，用于保护SiC SBD。
在图1中还示出了可变电阻R8、降压电阻R9及保护电容C3，实现PFC电路的对输入电流波形进行控制的功能。
由于SiC SBD具有非常短的反向恢复时间和很小的反向漏电流等优点，适用于空调等的控制器上，但是其抗浪涌电流能力弱，本实施例通过设计抗浪涌电流冲击的保护电路，不管电网环境如何，均可确保SiC SBD可靠工作，避免因浪涌电流造成损坏。
进一步，上述抗浪涌电流冲击保护电路，可在理论计算及结合实际布板走线和实测结果，灵活调整电阻R1和整流二极管D1的值，可以有效保证路径①和路径③按合理的比例分流，同时保障D1和SiC SBD都不会受到浪涌电流的损坏。
本发明实施例还提供了一种外机控制器，应用于空调器，包括上述功率因数校正电路。
本发明实施例还提供了一种空调器，包括上述外机控制器。
当然，本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程度来指令控制装置来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取的存储介质中，所述程序在执行时可包括如上述各方法实施例的流程，其中所述的存储介质可为存储器、磁盘、光盘等。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种功率因数校正电路，其特征在于，应用于空调器，包括：整流电路及功率因数校正开关电路；
所述整流电路包括整流桥，所述整流桥的输入端连接交流工作电压，所述整流桥的直流输出正极连接所述功率因数校正开关电路；
所述功率因数校正开关电路包括碳化硅金氧半场效晶体管、串联的电感及碳化硅肖特基二极管；
所述碳化硅金氧半场效晶体管的漏极连接至所述电感与所述碳化硅肖特基二极管之间，源极与所述整流桥的直流输出负极连接，栅极与栅极驱动器集成电路连接。
2.如权利要求1所述的功率因数校正电路，其特征在于，还包括保护电路；
所述保护电路包括串联的第一电阻及单向导通元件；
所述第一电阻及所述单向导通元件串联后与串联的所述电感及所述碳化硅肖特基二极管并联；
所述单向导通元件的导通方向与所述碳化硅肖特基二极管的导通方向相同。
3.如权利要求2所述的功率因数校正电路，其特征在于，所述功率因数校正电路中的最大电流为Imax，所述电感及所述碳化硅肖特基二极管的第一总阻值R总1，所述电阻及所述单向导通元件的第二总阻值R总2，所述碳化硅肖特基二极管的峰值电流最大值ISBD，R总1及R总2满足以下条件：
ImaxR总2/(R总1+R总2)≤ISBD。
4.如权利要求2所述的功率因数校正电路，其特征在于，所述功率因数校正电路中的最大电流为Imax，所述电感及所述碳化硅肖特基二极管的第一总阻值R总1，所述电阻及所述单向导通元件的第二总阻值R总2，所述碳化硅肖特基二极管的峰值电流最大值I保护，R总1及R总2满足以下条件：
ImaxR总1/(R总1+R总2)≤I保护。
5.如权利要求1-4任一项所述的功率因数校正电路，其特征在于，所述单向导通元件为整流二极管或单向可控硅。
6.如权利要求1-4任一项所述的功率因数校正电路，其特征在于，还包括滤波电容；
所述滤波电容连接于所述直流输出正极与所述直流输出负极之间。
7.如权利要求1-4任一项所述的功率因数校正电路，其特征在于，还包括电解电容；
所述电解电容连接于所述碳化硅肖特基二极管的负极与接地之间。
8.如权利要求1-4任一项所述的功率因数校正电路，其特征在于，还包括第二电阻及保护电容；
所述第二电阻及所述保护电容串联后与所述碳化硅肖特基二极管并联。
9.一种外机控制器，其特征在于，应用于空调器，包括权利要求1-8任一项所述的功率因数校正电路。
10.一种空调器，其特征在于，包括权利要求9所述的外机控制器。
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