CN2596657Y

CN2596657Y - 变频中央空调功率因数校正电路装置

Info

Publication number: CN2596657Y
Application number: CN 02295357
Authority: CN
Inventors: 杨喜军
Original assignee: Shanghai Shinyuan Inverter Electric Co ltd
Current assignee: Shanghai Shinyuan Inverter Electric Co ltd
Priority date: 2002-12-31
Filing date: 2002-12-31
Publication date: 2003-12-31
Anticipated expiration: 2012-12-31

Abstract

本实用新型涉及一种变频中央空调功率因数校正电路装置。它包含有电路板及其上安装的电路组块和输入输出电缆，电路组块包含有电源整流电路、逆变电路以及双重Boost升压电路、功率因数校正控制电路、功率因数校正开启电路、功率因数校正调压电路和MCU控制电路。本实用新型结构简单，功能完善，校正效果良好，适用于大功率商用空调及其变频家用电器。

Description

变频中央空调功率因数校正电路装置

技术领域：

本实用新型涉及一种中央空调电路装置，特别是一种变频中央空调功率因数校正电路装置。

背景技术：

长期以来，采用交直交变频器作为传动电源的家用电器，例如变频空调、变频冰箱和变频洗衣机等，都采用传统的不可控整流器作为变频器的功率前级，负责向后级逆变器提供直流电压，因而不可避免地带来以下问题：(1)输入电流谐波含量大，造成严重的电网污染；(2)电网利用率下降，被迫加大个别元器件的额定容量；(3)直流回路电压波动较大，影响后级逆变器的输出性能；(4)变频家用电器量大面广，而且市场前景可观，其影响将更加严重。这些已经引起了世界各国和某些国际权威组织的高度重视，为了适应加入WTO后家电市场运行，国家质量监督局已经下发文件，要求2003年5月1日起在家用电器领域开始实行3C(商检认证、安全认证和电气EMC认证)认证，其中包括电磁兼容性(EMC)认证。满足EMC认证的一个重要方面就是使变频家用电器向电网注入的谐波电流次数与含量满足规定的标准。这样在较大功率的变频家用电器中原有的基于不可控整流技术的AC/DC变换前级方案已经不再完全适用，而必须采用有源功率因数校正。目前可行的有源方案为电流连续模式平均电流采样BOOST(提升)方案，但是它需要专用功率因数校正控制器和电感、功率开关与功率二极管等额外器件，结果会带来以下问题：(1)控制器等器件选择不当或电路结构配置不当会带来校正效果不够理想，反而引起较严重的电磁干扰EMI问题；(2)附加成本过大，降低消费者的购买热情。因此，如何选择获得最佳电路配置和获得较好的性价比就成为设计的关键件环节。鉴于3C认证开始执行状况以及对国内外变频家用电器市场的了解，设计符合3C认证的变频家用电器的操作空间非常大，值得国内变频家用电器控制器厂商进行不断的研究开发。

实用新型内容：

本实用新型的目的是要提供一种变频中央空调功率因数校正电路装置，它可以适用于变频家用空调中，也可以适用于大功率商用空调以及其他变频家用电器，具有结构简单，功能完善、校正效果良好之优点。

为达到上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种变频中央空调功率因数校正电路装置，包括电路板及其上安装的电路组块和输入输出电缆，电路组块中含有电源整流电路和逆变电路，其特征在于还包含有双重Boost升压电路、功率因数校正控制电路、功率因数校正开启电路、功率因数校正调压电路和MCU控制电路，整个装置的结构是：220伏交流电源由电缆接入电源整流电路后经双重Boost升压电路和逆变电路后由电缆接至负载；MCU控制电路的三路输出分别接入功率因数校正开启电路、功率因数校正调压电路和逆变电路；功率因数校正开启电路和功率因数校正调压电路的输出接入功率因数校正控制电路与双重Boost升压电路连接；还有一个直流电路为各电路组块提供工作直流电源。

上述的双重Boost升压电路由两个电感、两个功率开关、两个二极管、两个电阻和五个电容组成。

上述的功率因数校正控制电路由一块L4981A或L4981B型控制芯片、两个二极管、18个电阻和8个电容组成。

上述的功率因数校正开启电路由一个三极管、一个光电耦合器和四个电阻组成。

上述的功率因数校正调压电路由一个三极管、一个光电耦合器、四个电阻和一个电解电容组成。

本实用新型与现有技术相比较，具有如下显而易见的特点和优点：本实用新型在已有技术中的电源整流电路与逆变电路之间加入双重Boost升压电路，并由MCU控制电路控制逆变电路及增加的功率因数校正开启电路和功率因数校正调压电路，从而从后两者功率因数校正控制电路去控制双重Boost升压电路，达到功率因数校正与无功补偿的目的。这种双重生压电路的使用，还能降低功率回路器件的电气应力，降低成本，并能够提高系统的性能，如更低的EMI问题。本实用新型结构简单，功能完善，校正效果良好，适用于大功率商用空调及其变频家用电器。

附图说明：

图1是本实用新型一个实施例的结构示意图。

图2是图1示例的电路框图。

图3是图1示例的电路图。

具体实施方式；

本实用新型的一个优选实施例是：参见图1、图2和图3，本变频中央空调功率因数校正电路装置，包含有电路板1及其上安装的电路组块2和输入输出电缆4、3，电路组块2中含有电源整流电路5和逆变电路7，其特征在于还包含有双重Boost升压电路6、功率因数校正控制电路10、功率因数校正开启电路8、功率因数校正调压电路9和MCU控制电路12，整个装置的结构是：220伏交流电源由电缆4接入电源整流电路5后经双重Boost升压电路6和逆变电路7后由电缆3接至负载13；MCU控制电路的三路输出分别接入功率因数校正开启电路8、功率因数校正调压电路9和逆变电路7；功率因数校正开启电路8和功率因数校正调压电路9的输出接入功率因数校正控制电路10与双重Boost升压电路6连接；还有一个直流电路12为各电路组块提供工作直流电源。

上述的双重BOOST升压电路6，主要由两个完全相同的部分并联而成。其中部分I由电感L1、电容C4、功率二极管D1、功率开关T1、电阻R3和电容C6组成，L1的一端与电源整流电路5的正极相连于连接点P1，并与电感L2相连，它的另一端与C4和D1的一个公共点P21相连，C4和D1的另一个公共点为电路6的正极输出端P3。功率开关T1的漏极D1连接于L1、C4与D1的公共点P21，它的源极S1接地GND1。R3与C6串联后与T1并联，R3的一端与功率开关T1的漏极D1相连，C6的一端与功率开关T1的源极S1相连。另一同样部分II由电感L2、电容C5、功率二极管D2、功率开关T2、电阻R4和电容C7组成，各元器件的连接关系同部分I，下面只简化说明二部分的连接关系。部分I电感L1与部分II电感L2的一端相连接于电路6的正极输入端P1，部分I的C4和D1与部分II的C5和D2连接于该电路6的正极输出端P3。此外电路6还包括检流电阻R2和电解电容池E1。R2的一端为该电路6的负极输入端，并与电源整流电路5的负极输出端相连。E1的一端连接于本电路6的正极输出端P3，另一端接地GND。部分I与部分II均为典型的BOOST升压电路，每一部分独立工作，属于并联工作方式，工作原理与典型BOOST升压电路相同，其中T1的门极G1与T1的门极G2的驱动信号完全相同，分别来自功率因速校正控制电路10的均流电阻R19两端。该电路6在于采用双重BOOST结构，每一部分独立工作，受控于同一个驱动信号，使得除了仍然具有良好的校正效果的前提下，所用元器件电气应力可以减到一半以下，虽然器件总数增加但总的成本有很大下降，表现在两只小容量的功率开关T1与T2或功率二极管D1与D2的成本小于一只总容量相当的功率开关或功率二极管，两只利用铁氧体、合金粉芯的电感L1和L2的成本也低于一只非晶体电感，在保证校正效果不变无需改动功率因数校正控制电路10的前提下获得高性价比。该电路6的两个部分的工作原理完全相同，以部分I为例，当功率开关T1的门极G1获得开通信号时，T1导通，电感L1电流线性上升，存储能量，功率二极管D1处于反向截止状态；当它的门极G1获得关闭信号时，电感上产生感生电压，正向开通功率二极管D1，部分能量传输至电解电容池E1。这样按照规律反复开通关断T1就可以将能量源源不断传输至E1中，供后级逆变电路7使用。电阻R2为无感电阻，其端电压作为电感L1与电感L2和电流检测信号提供给功率因数校正控制电路10，用于参与调整功率开关T1与T2的开通关断规律。本电路6在于找到双重BOOST PFC方案，能够在不改变其他任何相关配置的前提下，实现PFC功能和大大降低成本，因而具有实用性和高性价比。

上述的功率因数校正控制电路10，是根据功率因数校正控制芯片L4981(L4981A或L4981B)的工作原理设计了它的外围参数，电阻R13～R30、电容C9～C16与二极管D3～D4组成。其工作原理简述如下：(1)电容C9的一端与+15V直流电源连接，完成退耦功能，另一端与地GND1相连，并通过引脚19为L4981提供工作电源；(2)电阻R14、R13与三极管TR2构成电压反馈网络，另外R13的高电压端与MCU控制电路11的模数转换引脚AD相连，由于功率因数校正调压电路9的控制，TR2工作点改变，使得R14与TR2并联后的等效电阻改变，这样在与电阻R13对电路6电解电容池E1的输出直流电压进行分压，得到的电压连接至L4981的误差放大器输入引脚14，即VFEED引脚供L4981进行输出电压调节；(3)电阻R15与R16构成分压电路，通过将R16的端电压连接至L4981的引脚3为其提供输出电压电平信息，判断输出电压是否过压；(4)电阻R17～R19、二极管D3～D4组成了均流驱动网络，能够保证电路6的功率开关T1与T3开通关断步调一致，D3～D4还起到加速功率开关T1与T3关断的作用，R17～R18、D3与D4参数性能应该具有良好的一致性；(5)电阻R30与电容C12并联构成补偿网络调节电解电容池E1的输出电压，它们的一端连接L4981的引脚13，另一端连接L4981的引脚14，该部分的作用就是调节二倍电源频率的输出电压纹波以避免输入电流失真，并保证整个系统的稳定性，因此R30与C12的参数设计非常重要；(6)电阻R20的一端连接电源整流电路5的正极输出端P1，另一端连接于L4981的引脚4，它负责检测与整流后电源电压成比例的电流信号，并导入L4981；(7)电阻R21～R23、C10～C11输入电压补偿网络，以便使功率因数校正控制电路10适应宽范围的交流输入电压，它们形成双极点滤波器，目的是减少输入电流畸变率，得到1.5～5.5V的电压范围输入L4981引脚7。R21的一端与R20的一端相连于电源整流电路5正极输出端P1，另一端与R22和C10的公共端相连，C10的另一端接地GND，R22的另一端连接R23和C11的一端，并与L4981的引脚7相连，R23和C11的另一端接地GND；(8)L4981的引脚1接地GND；(9)R24与R25构成过流检测电路，当电路6的电感L1和L2峰值电流之和大于设计值时，使得L4981引脚2的电平大于内部设定的限值，强迫L4981停止脉冲触发。R24一端连接于电路6的负极输入端即R2的进线端，另一端连接L4981的引脚2。R25的两端分别连接于L4981的引脚2和引脚11；(10)C14为振荡电容，一端与L4981的引脚18相连，另一端接地GND。R29为振荡电阻，一端与L4981的引脚17相连，另一端接地GND。C14与R29构成振荡电路，产生L4981内部时钟，决定系统的开关频率大小；(11)电容C15为软启动电容，它取值大小决定了软启动时间长短。当输出电压处于上升阶段，防止电路6的功率开关T1与T2过电流损坏。C15一端连接L4981的引脚12，另一端接地GND1；(12)电容C16为滤波电容，用于滤除L4981引脚11参考电压(6V)杂波。C16一端连接L4981的引脚11，另一端接地GND1；(12)L4981引脚6为负载前馈输入端，与引脚11直接相连。引脚15与功率因数校正开启电路8的电阻R6与R7的中点相连，决定是否L4981处于电源欠压状态，如果欠压立即封锁脉冲触发，防止损坏器件发生。(13)电阻R26～R28、电容C13构成电流调节器，R26与R28电阻参数特性相同，负责将检流电阻R2的电压信号引入L4981内部电流误差放大器，电流误差放大器的输出通过串联的R27和C13引入它的反向输入端。R26的一端连接R2的输入端，另一端连接L4981引脚8。R28的一端接地GND，另一端连接L4981引脚9。串联的R27和C13的电阻一端连接L4981引脚5，电容一端连接L4981引脚9。本功率因数校正控制电路10在于设计了一套适合于变频空调的工况以及EMC认证要求的拓扑电路和参数，非常具有实用性和可靠性。

上述的功率因数校正开启电路8，它的增加弥补了功率因数校正控制芯片L4981缺乏开启功能的不足。该电路8由电阻R5～R8、三极管TR1和光电耦合器OP1组成。在系统上电期间以及MCU控制电路11引脚PCT2发出低电平信号时，迫使功率因数校正控制电路10的引脚15处于欠压状态，L4981停止工作。当MCU控制电路11引脚PCT2发出高电平信号时，使功率因数校正控制电路10的引脚15的电平处于自然检测状态，不受功率因数校正开启电路8的控制，而完全决定于电阻R6与R7的分压状况。当然如果此时电源欠压，L4981仍将停止工作。电阻R7与三极管TR1并联后与R6串联，R6的另一端连接+15V工作电源，电阻R7与三极管TR1的另一端接地GND。R8一端连接三极管TR1基极，另一端接地GND1。光电耦合器OP1的原边串联电阻R5之后一端接MCU控制电路11的引脚PCT2，另一端接地GND，它的副边集电极连接+15V工作电源，另一端连接三极管TR1的基极。该实用新型的工作原理是：当引脚PCT2发出高电平时，光电耦合器OP1副边导通，三极管TR1截止，电阻R7两端的等效电阻为R7本身，电源欠压检测只受实际工作电源电压本身性能的影响。当引脚PCT2发出低电平时，光电耦合器OP1副边截止，三极管TR1导通，电阻R7两端的等效电阻为低于欠压限值，L4981停止工作。这样本电路8设计一个巧妙的电路可以按照变频空调实际工作需要任意控制功率因数校正控制电路10的工作启动与停止工作，具有实用性、新颖性和可靠性。

上述的功率因数校正调压电路9，它的增加弥补了功率因数校正控制芯片L4981输出电压不可以任意调节的不足。该电路9由电阻R9～R12、电解电容E2、三极管TR2和光电耦合器OP2组成。电路结构如下：电阻R12一端连接MCU控制电路11的引脚PTE7，另一端连接光电耦合器OP2原边二极管阴极。电耦合器OP2原边二极管阳极连接+5V工作电源，其副边三极管集电极与+15V工作电源相连，三极管发射极连接电阻R11的一端。R11的另一端连接电阻R9、E2、R10的公共端，E2、R10的另一端接地GND，R9的另一端连接三极管TR2的基极，三极管TR2的集电极与功率因数校正控制电路10的R14一端和引脚14相连，另一端接地GND。基本工作原理是：MCU控制电路11引脚PTE7发送来的高频PWM信号具有需要的可调占空比，通过该电路9的变换能够连续改变功率因数校正控制电路10的电阻R13两端的等效电阻值，进而可以连续调节功率因数校正控制电路10引脚14的电平，从而允许L4981对电路6输出电压进行调节。当电阻R12接收到低电平时，光电耦合器OP2副边导通，+15V电源通过电阻R10、R11分压后给电解电容E2充电。同理，当电阻R12接收到高电平时，+15V电源不给E2充电。这样通过调节MCU控制电路11引脚PTE7发出的高频PWM脉冲的占空比就可以调节E2的端电压，从而通过R9来改变三极管TR2的基极偏置电压，改变三极管TR2的工作点，即导通程度，这样TR2与电阻R14并联后的等效电阻就可以得到调节，最终导致功率因数校正控制电路10能够按照需要调节电路6的输出电压，起到调压目的。脉冲宽度的改变一方面来源于变频空调的需求，另一方面MCU控制电路11也要实时检测功率因数校正控制电路10电阻R13的电压，用来精确调节电路6的输出电压大小。基于以上，本电路9的加入能够调节电路6的输出电压大小，能够根据变频空调的实际需求调节该电压大小，利用这一点可以实现功率因数校正变频空调的软启动和软停车，改善功率因数校正变频空调的工作性能。显然本电路9具有结构简单、新颖可靠的优点，而且附加成本很低。

Claims

1.一种变频中央空调功率因数校正电路装置，包括电路板(1)及其上安装的电路组块(2)和输入输出电缆(4、3)，电路组块(2)中含有电源整流电路(5)和逆变电路(7)，其特征在于还包含有双重Boost升压电路(6)、功率因数校正控制电路(10)、功率因数校正开启电路(8)、功率因数校正调压电路(9)和MCU控制电路(12)，整个装置的结构是：220伏交流电源由电缆(4)接入电源整流电路(5)后经双重Boost升压电路(6)和逆变电路(7)后由电缆(3)接至负载(13)；MCU控制电路的三路输出分别接入功率因数校正开启电路(8)、功率因数校正调压电路(9)和逆变电路(7)；功率因数校正开启电路(8)和功率因数校正调压电路(9)的输出接入功率因数校正控制电路(10)与双重Boost升压电路(6)连接；还有一个直流电路(12)为各电路组块提供工作直流电源。

2.根据权利要求1所述的变频中央空调功率因数校正电路装置，其特征在于双重Boost升压电路(6)由两个电感(L1、L2)、两个功率开关(T1、T2)、两个二极管(D1、D2)、两个电阻(R3、R4)和五个电容(C4、C5、C6、C7、E1)组成。

3.根据权利要求1所述的变频中央空调功率因数校正电路装置，其特征在于功率因数校正控制电路(10)由一块L4981A或L4981B型控制芯片(IC)、两个二极管(D3、D4)、18个电阻(R9、R10、R15、R16、R18、R19、R20、R21、R22、R24、R25、R26、R27、R28、R29、R30)和8个电容(C9、C10、C11、C12、C13、C14、C15、C16)组成。

4.根据权利要求1所述的变频中央空调功率因数校正电路装置，其特征在于功率因数校正开启电路(8)由一个三极管(TR1)、一个光电耦合器(OP1)和四个电阻(R5、R6、R7、R8)组成。

5.根据权利要求1所述的变频中央空调功率因数校正电路装置，其特征在于功率因数校正调压电路(9)由一个三极管(TR2)、一个光电耦合器(OP2)、四个电阻(R11、R12、R13、R14)和一个电接电容(E2)组成。