CN1988370A - 变频空调数字式升压pfc电路的同步检测电路 - Google Patents

Abstract

一种变频空调数字式升压PFC电路的同步检测电路，包括比较电路，该比较电路的正输入端接参考电平，比较器负输入端与接于整流电路输出端的电压取样电路连接，比较器输出端与参考端之间连接一电阻和二极管串联电路，整流电路中桥接的四个二极管分别并联一电容，整流电路输出端并接另一个电阻。其技术构思新颖，电路简单，采用整流桥的各二极管并联电容及整流电路输出端并接电阻措施，削弱了来自逆变电路的叠加于整流电路输出电压上高频脉冲干扰信号；比较器反馈回路串联电阻和二极管使滞环响应的带宽增大，保证同步信号具有足够的脉冲宽度。经测试，整流桥输出电压的高频脉冲信号大幅减小，输出的同步信号波形良好，系统运行稳定。

Description

变频空调数字式升压PFC电路的同步检测电路

技术领域

本发明涉及电力电子技术，具体是一种应用在变频空调数字式升压PFC电路中的同步检测电路。

背景技术

近年来，随着生活水平和节能意识的不断提高，变频空调得到迅速普及。由于国内普通商住建筑通常只配有单相220伏电源，变频空调在实际应用中面临以下两个问题。第一，当变频器的输入电路仅由单相全波二极管整流桥与平波电容构成时，输入电流波形呈脉冲状，总谐波畸变率超过100％，对电网造成很大的谐波污染。第二，通过单相全波整流得到的直流母线电压波动大，重载时电压的平均值大幅度降低，导致压缩机电流激增。为了防止过流，只能限制压缩机的最高运行频率，致使压缩机的能力得不到充分发挥。

在整流桥输出端设置升压PFC电路能够同时解决谐波污染和直流电压下降问题。目前变频空调的变频器一实例见图1，主要包括整流电路、升压PFC电路和逆变电路等，系统在微控制器MCU控制下工作，还具有同步检测、输入电流检测、PFC驱动、直流电压检测、PWM驱动、输出电流检测等部分。整流电路采用二极管整流桥，对单相220V交流电进行全波整流；升压PFC电路采用常规的Boost电路结构，其作用是通过对开关器件S的控制，使直流电压V_dc保持稳定，同时使变频器的输入电流i_S具有与电源电压同相位的正弦波形。

电源电压的相位是PFC控制中必不可少的信息，可以用不同的方法获取，其中最简单的方法是利用图2所示的比较电路检测电源电压V_S的过零点。电源电压经过分压后进入比较器输入端，当高于参考电平V_COM时，比较器输出低电平；相反，当低于参考电平时，比较器输出高电平。控制芯片MCU通过对比较器输出信号V_SYN上升沿的处理，得到电源电压的同步信号，以此形成不受电压波形影响的同相位正弦参考波形。但是同步检测电路需要使用隔离器件使输入电源与MCU保持绝缘。鉴于MCU是以直流母线的N极为信号地线，所以采用直接检测整流桥输出电压V_R生成同步信号的方法，同步检测电路与MCU之间不需要进行电气隔离，成本降低。在理想的情况下，过零点检测电路的波形如图3所示，其中图3a表示检测整流桥输入端电压的波形，图3b表示检测整流桥输出端电压的波形。

变频空调数字式升压PFC电路的同步检测采用图2所示的过零点检测电路时，主电路接线如图4所示。参照图5整流桥输出端电压与同步信号波形图，PFC电路和逆变电路未运行时的波形实测结果如图5(a)所示，图5(a)中上部为整流桥输出端电压波形，与理想状态基本一致。但是，当逆变电路运行时，实测波形如图5(b)所示。由于整流桥输出电压发v_R的波形上叠加了高频脉冲，比较器的高电平输出的宽度很窄，或者一连出现数个窄脉冲，无法产生有效的同步信号。由于变频空调的升压PFC电路的升压比低，轻载时PFC电路不宜动作，只有当逆变电路运行且负载达到一定程度时，才能启动PFC电路。因此，必须解决上述同步信号振荡的问题。

发明内容

鉴于现有技术存在的上述问题，本发明提供一种改进的变频空调数字式升压PFC电路的同步检测电路，通过在整流桥的各个二极管上并联电容、在正、负直流母线间并接电阻等措施，削弱来自逆变电路的高频脉冲干扰，获取系统需要的同步脉冲信号。

本发明提出的变频空调数字式升压PFC电路的同步检测电路是现有技术的改进性设计。它包括一个比较电路，所述比较电路的正输入端接参考电平，比较器负输入端与接于整流电路输出端的电压取样电路连接，比较器输出端与参考端之间连接一电阻和二极管串联电路，整流电路中桥接的四个整流二极管分别并联一电容，整流电路输出端还并接另一个电阻，用于削弱来自逆变电路的叠加于整流电路输出电压上高频脉冲干扰信号，获取系统需要的同步脉冲信号。

本发明同步检测电路技术构思新颖，电路结构简单，在整流桥的各二极管分别并联电容，在正、负直流母线间接入电阻，大大削弱了叠加于整流电路输出电压上高频脉冲干扰信号；在比较器输出端与参考端之间连接电阻和二极管串联反馈电路，使滞环响应的带宽增大，保证同步信号具有足够的脉冲宽度。

本发明经过测试，整流桥输出端电压的高频脉冲大幅减小，输出的同步信号波形良好，系统运行稳定。

附图说明

图1为传统变频空调的变频器一实例原理框图；

图2为图1中采用的一过零点检测电路图；

图3为理想情况下的过零点检测电路的波形；

图4为含有图2过零点检测电路的系统主电路图；

图5为整流桥输出端电压与同步信号波形图；

图6为采用本发明电路的系统主电路图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明。

参照图6，本发明变频空调数字式升压PFC电路的同步检测电路包括一个比较电路，所述比较电路的正输入端接参考电平V_COM，该参考电平由+5V电源通过电阻R₂、R₃分压获得，整流电路输出端连接由电阻R₂、R₃串联组成的电压取样电路，电阻R₂、R₃公共端接到比较器负输入端，在比较器输出端与参考端之间连接电阻R₆和二极管D₅串联电路，二极管D₅的负端接比较电路的正输入端；整流电路中桥接的四个整流二极管D₁～D₄分别并联电容C₁～C₄，整流电路输出端还并接一个电阻R₁，用于削弱来自逆变电路的叠加于整流电路输出电压上高频脉冲干扰信号；其中电阻R₇为比较电路的输出上拉电阻。

从图6可见，本发明对传统电路作了以下两点改进：

1.在整流桥的二极管D₁～D₄上分别并联电容C₁～C₄，在正、负直流母线间接入电阻R₁，削弱逆变电路的干扰。

图5(b)的波形实验结果显示，在没有加上述电容C₁～C₄和电阻R₁的情况下，当逆变电路运行时，整流桥输出v_R的波形上叠加了高频脉冲。其原因是平波电容C₅上有相对稳定的直流高压，使各二极管大部分时间处于反向阻断状态，而二极管的反向阻断动态特性实际上受其结电容的影响。当逆变电路先运行时，直流母线上出现高频脉冲电流，导致D₁～D₄和D₆(在PFC电路中)的反向电压始终处于动态变化状态，根据各自的结电容和线路参数不断地分配和平衡总的反向电压，致使整流桥输出端的电压含有高频脉冲，同步检测电路无法产生有效的同步信号。

本发明通过在整流桥各二极管上并联电容C₁～C₄，改变等效结电容的比值，使D₆承受更大的脉冲电压，从而减小整流桥输出端电压的脉冲成分，保证同步信号不发生振荡；新增电阻R₁为C₁～C₄提供放电通道，使v_R的最小值接近零，从而确保每半个电源周波都产生同步脉冲，并使同步信号上升沿与电源电压过零点尽可能一致。

经过反复实验，整流电路中各二极管上并联电容C₁～C₄的容量为1100～4700pF，整流电路输出端并联电阻R₁为20～60kΩ。

2.在比较器输出端与参考端之间连接电阻R₆和二极管D₅串联电路，特别是增加二极管D₅，使滞环响应的带宽增大，保证同步信号V_SYN具有足够的脉冲宽度。

在比较器参考端和输出端之间仅接入电阻R₆，就能产生滞环响应特性。滞环响应特性可以消除同步信号的颤动现象，也决定了同步信号冲的宽度。

没有二极管D₅时，同步信号V_SYN由低电平变为高电平的条件：

$v_R<V_{\mathrm{LH}}=\frac{5(R_2+R_3)R_5{R}_6}{R_3[R_4(R_5+R_6)+R_5{R}_6]}---\left(1\right)$

其中，V_LH为同步信号V_SYN上升沿对应的输入电压；

同步信号V_SYN由高电平变为低电平的条件：

$v_R\&GreaterEqual;V_{\mathrm{HL}}=\frac{5(R_2+R_3)R_5(R_4+R_6+R_7)}{R_3[(R_4+R_5)(R_6+R_7)+R_4{R}_5]}---\left(2\right)$

其中，V_HL为同步信号V_SYN下降沿对应的输入电压；

为了使同步信号的上升沿与电源电压过零点一致，式(1)的V_LH应取尽可能小的值；本发明内容1减小了整流桥输出端电压的脉冲成分，但不能完全消除，为了使同步信号的脉冲具有足够的宽度，式(2)的V_HL应取尽可能大的值。但是，在比较器输入信号的允许范围内，并保证同步信号的高电平能够满足MCU的要求(＞4V)，依据式(1)、(2)很难选定合适的R₂～R₇。

为了解决上述问题，增加一个与电阻R₆串联的二极管D₅，V_SYN由高电平变为低电平的条件仍然不变，但由低电平变为高电平的条件变为

$v_R<V_{\mathrm{LH}}=\frac{5(R_2+R_3)R_5}{R_3(R_4+R_5)}---\left(3\right)$

根据式(2)、(3)，通过合理的参数选择，可实现V_LH≈15V，V_HL≈200V。

实施例：将本发明应用于多联机直流变频空调专用变频器中，采用同一片MCU实施PFC和逆变控制。逆变采用无速度传感器正弦波控制，开关频率5kHz，最大输出功率4.5kW。PFC电路采用无差拍控制，开关频率20kHz。其中，同步检测电路的参数选择如下：

比较器：LM311H或CA311芯片

整流桥各二极管并联电容：C₁＝C₂＝C₃＝C₄＝2200 pF

整流桥输出端的并联电阻：R₁＝47kΩ

其余各电阻：R₂＝300kΩ，R₃＝4.7kΩ，R₄＝100kΩ，R₅＝4.7kΩ，R₆＝1.0kΩ，R₇＝1.0kΩ

与电阻R₆串联的二极管D₅：1N4148等

根据上述式(2)、(3)可得V_LH＝15V，V_HL＝229V。图5(c)为实测结果，整流桥输出端电压的高频脉冲大幅减小，同步信号波形良好，系统运行稳定。

Claims (5)

1、一种变频空调数字式升压PFC电路的同步检测电路，包括一个比较电路，其特征是：所述比较电路的正输入端接参考电平，比较器负输入端与接于整流电路输出端的电压取样电路连接，比较器输出端与参考端之间连接一电阻和二极管串联电路，整流电路中桥接的四个整流二极管分别并联一个电容，整流电路输出端还并接另一个电阻，用于削弱来自逆变电路的叠加于整流电路输出电压上高频脉冲干扰信号。

2、根据权利要求1的变频空调数字式升压PFC电路的同步检测电路，其特征是：所述比较电路采用LM311H或CA311芯片。

3、根据权利要求1的变频空调数字式升压PFC电路的同步检测电路，其特征是：所述整流电路各二极管上并联1100～4700pF电容，整流电路输出端并接20～60kΩ电阻。

4、根据权利要求1的变频空调数字式升压PFC电路的同步检测电路，其特征是：所述整流电路各二极管上并联1100～4700pF电容。

5、根据权利要求1的变频空调数字式升压PFC电路的同步检测电路，其特征是：所述整流电路输出端并接20～60kΩ电阻。

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