CN2757003Y - 变频空调用功率因数校正模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种变频空调用功率因数校正模块，其特点是由一次整流电路和功率因数校正电路连接组成；一次整流电路包括，设置在电源输入端的熔断器、与电源输入端和熔断器连接的滤波电路、连接在滤波电路输出端的浪涌电压抑制电路和浪涌电流抑制电路、输入端分别连接在浪涌电压抑制电路与浪涌电流抑制电路输出端的全桥整流电路；功率因数校正电路包括由有源升压式预变换电路构成的主电路和由功率因数校正集成电路及其附加周边电路构成的控制电路。本实用新型能有效抑制功率变换中产生的电流畸变，降低谐波电流对电网污染，提高电网利用率；实现高功率因数和宽输入电压范围，集成多种保护电路和监测功能；它散热好可靠性高，并且体积小组装连接简易。

Description

变频空调用功率因数校正模块

技术领域

本实用新型涉及一种电源控制器功率变换技术，尤其涉及一种变频空调用功率因数校正模块。

背景技术

为实现变频空调压缩机的驱动，需要把交流220V输入通过非控整流获取直流电(即AC/DC变换)。传统的变频空调控制器整流装置通常都是由整流器加大容量的滤波电容构成，并采用电感电容组成的低通滤波器滤波，以实现把交流电变换为直流电对变频空调压缩机进行驱动。

现有技术变频空调控制器整流装置虽然能对市电进行变换为直流电压，但是在实际操作过程中存在以下问题：

1.变换输入电压波形大致为正弦波，但输入电流波形却发生严重畸变，并呈脉冲状。这是因为只有当输入交流电压高于整流滤波电容电压的短时间内才能从电网抽取电流。而滤波电容的等效阻抗低，电流的瞬时值很高，从而造成电网侧输入电流的严重非正弦化，含有大量的谐波成分。由此产生的结果是，一方面输入电流谐波超标，EMI电磁干扰串入电网，对电网造成严重污染，不利于电网的安全运行，干扰其他电子设备的正常工作；另一方面大大降低了输入电路的功率因数(一般在0.8左右)，不利于电网的经济运行；并且由于变频空调的使用量大面广，其危害更加严重。

2.由于电网中的谐波电流含有很多高频分量，不仅会引起空调压缩机内电机的涡流损耗，导致电机发热；还会引起压缩机噪音增加等一系列不良影响，并且很难通过其他方法有效抑制。

3.由于传统的变频空调控制器整流装置通常由整流器加大容量的滤波电容构成，并且由电感电容组成低通滤波器进行滤波，因此体积大且滤波效果差。

再次，由于旋转式变频空调压缩机是时变的负载，因此需要保持压缩机内用以驱动的IPM(Intelligent Power Module)智能功率模块输入端的直流电压的稳定，即需要对输入电压进行实时的动态调整，以降低电压波动，保证变频空调压缩机的正常驱动。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种变频空调用功率因数校正模块，它根据变频空调压缩机驱动控制的需要，以模块化的形式设置在电源输入端，从而可以适应宽输入电压范围(150V-270V)，并具有功率因数校正、整流滤波、电流限制、电压监测等功能。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种变频空调用功率因数校正模块，其特征在于：所述的功率因数校正模块由一次整流电路I和连接在一次整流电路I输出端的功率因数校正电路II连接组成。

在上述的变频空调用功率因数校正模块中，其中，所述的一次整流电路I包括，设置在电源输入端的熔断器、与电源输入端和熔断器连接的滤波电路、连接在滤波电路输出端的浪涌电压抑制电路和浪涌电流抑制电路、输入端分别连接在浪涌电压抑制电路与浪涌电流抑制电路输出端的全桥整流电路。

在上述的变频空调用功率因数校正模块中，其中，所述的一次整流电路I中的浪涌电压抑制电路由一压敏电阻VR1组成，该压敏电阻设置在滤波电路的两输出端。

在上述的变频空调用功率因数校正模块中，其中，所述的一次整流电路I中的浪涌电流抑制电路由并联的电阻R1和继电器S1组成，浪涌电流抑制电路的一端与滤波电路的一输出端连接，另一端连接至全桥整流电路的另一输入端。

在上述的变频空调用功率因数校正模块中，其中，所述的功率因数校正电路II包括主电路和控制电路；所述的主电路由有源升压式预变换电路构成；所述的控制电路是由功率因数校正集成电路IC1及其附加周边电路构成。

在上述的变频空调用功率因数校正模块中，其中，所述的由有源升压式预变换电路构成的主电路包括，分别连接在一次整流电路I中全桥整流电路正输出端和负输出端的一升压电感L1和一电流传感电阻R2、设置在升压电感L1的辅助绕组两端的一同步整流滤波器、共接在升压电感L1另一端的功率开关Q1和升压二极管D1、连接在升压二极管D1负极和电流传感电阻R2另一端的滤波电容E1，形成有源升压式预变换电路。

在上述的变频空调用功率因数校正模块中，其中，所述的功率开关Q1采取双管并联的方式。

在上述的变频空调用功率因数校正模块中，其中，

所述的控制电路中的功率因数校正集成电路IC1采用的是型号为TDA16888功率因数校正控制器电路；

所述的TDA16888功率因数校正控制器电路IC1周边设置了如下辅助电路：

辅助电源电路，由同步整流滤波电路，设置在控制器电路IC1脚9的电容E2和电容C5，以及分别连接于滤波电容E1正极和控制器电路IC1脚20之间的分压电阻R16、R18组成的辅助电源监视电路组成；

第一比例积分控制电路，由分别设置在控制器电路IC1脚4、脚5、脚3处的三电阻R10、R11、R12和串接后跨接在控制器电路IC1脚4和脚3处的两电容C1和C2组成；

第二比例积分控制电路，由分别设置在控制器电路IC1脚17、脚18处的三电阻R6、R7、R14和串接后跨接在控制器电路IC1脚17、18两端的两电容C3与C4组成；

输入电压波形采样电路，由一端设置在一次整流电路(I)全桥整流电路正输出端另一端设置在控制器电路IC1脚1处的限流电阻R9构成；

输出电压采样电路，由设置在控制器电路IC1脚19的分压电阻R4、R5串接组成；

峰值电流限值电路，由设置在一次整流电路(I)全桥整流电路负输出端和控制器电路IC1脚6处的限流电阻R8和设置控制器电路IC1脚6、2处的限流电阻R15组成，限流电阻R8和限流电阻R15串联连接。

在上述的变频空调用功率因数校正模块中，其中，所述的控制电路中的功率因数校正控制器电路IC1的脚16处设置一电阻R17，通过改变R17的阻值构成振荡频率可调的振荡器。

本实用新型变频空调用功率因数校正模块由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1.本实用新型由于设置了一次整流电路(I)，它不仅能对交流电网电压进行整流，并且其中EMI滤波电路既可以防止从电网传入噪声形成对装置的干扰，又可以有效地防止系统产生的高频噪声窜入电网，从而可以减少对电网的污染；

2.本实用新型由于功率因数校正电路在主电路中采用了开关特性好的肖特基二极管作为升压二极管D1和超快恢复且低导通压降的功率开关管Q1，抑制了开关浪涌电压，因此具有抗干扰强且噪声和电磁干扰低的特点；

3.本实用新型由于功率因数校正电路在主电路中将功率开关管Q1采取双管并联的方式，为了扩大散热面积以便使印刷电路板PCB上的热分布比较均衡，提高了模块的可靠性；并且模块与散热器实现了完全电隔离，保证安全性；同时使模块可与后级的用于压缩机驱动的IPM(Intelligent Power Module)智能功率模块安装在同一散热器上，节省成本，连接引线大大缩短，减少了引线电感，提高了可靠性。该散热器可借助变频空调室外机风机增强散热效果。

4.本实用新型由于合理接地、布局布线、空间方位分离、滤波、吸收和旁路，因此有效抑制电流开关元件工作过程中产生的干扰。

附图说明

通过以下对本实用新型变频空调用功率因数校正模块的一实施例结合其附图的描述，可以进一步理解本实用新型的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1是本实用新型变频空调用功率因数校正模块的简化电原理图。

具体实施方式

请参见图1所示，本实用新型变频空调用功率因数校正模块由两部分组成：一次整流电路(I)和连接在一次整流电路(I)输出端的功率因数校正电路(II)。

所述的一次整流电路(I)由熔断器、浪涌电压抑制电路、浪涌电流抑制电路、EMI滤波电路、全桥整流电路组成。其中，熔断器设置在电源输入端；EMI滤波电路设置在电源输入端和熔断器的另一端；浪涌电压抑制电路和浪涌电流抑制电路设置在EMI滤波电路输出端，浪涌电压抑制电路由一压敏电阻VR1组成，该压敏电阻VR1跨接在EMI滤波电路的两输出端，浪涌电流抑制电路由并联的电阻R1和继电器S1组成，其一端与滤波电路的一输出端连接，另一端连接至全桥整流电路的另一输入端。

一次整流电路(I)用于对交流电网电压进行整流，其中EMI滤波电路既可以防止从电网传入噪声形成对装置的干扰，又可以有效地防止系统产生的高频噪声窜入电网，从而可以减少对电网的污染。

所述的功率因数校正电路(II)包括主电路和控制电路。

主电路有源升压式预变换电路构成，它包括，分别连接在一次整流电路(I)中全桥整流电路正输出端的一升压电感L1和连接在负输出端一电流传感电阻R2、升压电感L1的辅助绕组两端的连接一同步整流滤波器、共接在升压电感L1另一端的功率开关Q1和升压二极管D1、连接在升压二极管D1负极和电流传感电阻R2另一端的是用于滤波的电解电容E1，从而形成拓扑结构的有源升压式预变换电路。在本实施例中，升压二极管D1采用的是耐压600V的肖特基二极管，因为肖特基二极管没有电荷贮存而具有非常好的开关特性，即没有反向恢复时间而且没有温度对开关特性的影响；功率开关管Q1采用Infineon公司第三代超快恢复、低导通压降的CoolMOS管，从而降低了开关应力(dv/dt和di/dt)值，抑制了开关浪涌电压，由此不仅抗干扰能力增强，而且噪声和电磁干扰低。

功率因数校正电路中的控制电路由功率因数校正集成电路IC1及其附加周边电路构成。其中，功率因数校正集成电路IC1采用的是型号为TDA16888功率因数校正控制器电路；而TDA16888功率因数校正控制器电路IC1周边设置了如下辅助电路：辅助电源电路，由同步整流滤波电路，设置在控制器电路IC1脚9的电容E2和电容C5，以及分别连接于滤波电容E1正极和控制器电路IC1脚20之间的分压电阻R16、R18组成的辅助电源监视电路组成；第一比例积分控制电路，由分别设置在控制器电路IC1脚4、脚5、脚3处的三电阻R10、R11、R12和串接后跨接在控制器电路IC1脚4和脚3处的两C1和C2组成；第二比例积分控制电路，由分别设置在控制器电路IC1脚17、脚18处的三电阻R6、R7、R14和串接后跨接在控制器电路IC1脚17、18两端的两电容C3与C4组成；输入电压波形采样电路，由一端设置在一次整流电路(I)全桥整流电路正输出端另一端设置在控制器电路IC1脚1处的限流电阻R9构成；输出电压采样电路，由设置在控制器电路IC1脚19的分压电阻R4、R5串接组成；峰值电流限值电路，由设置在一次整流电路(I)全桥整流电路负输出端和控制器电路IC1脚6处的限流电阻R8和设置控制器电路IC1脚6、2处的限流电阻R15组成，限流电阻R8和限流电阻R15串联连接；另外在功率因数校正控制器电路IC1的脚16处设置一电阻R17，通过改变R17的阻值构成振荡频率可调的振荡器。

功率因数校正电路的基本思想是通过控制主电路的开关管Q1的通断，一方面将整流后脉动的直流电压升压、滤波为平滑的直流电，另一方面使电网侧的电流波形跟踪电压波形，从而消除电流的相位畸变和波形畸变，获得近似为1的高功率因数。

本实用新型实现方法如下：

在接通交流输入电压之后，全桥整流电路输出的直流高压经连接在升压电感L1辅助绕组两端的同步整流滤波器后对设置在功率因数校正控制器电路IC1(以下简称IC1)(TDA16888)脚9上的充电电路中的电容E2充电，只要E2被充电到脚9(VCC)14V的门限电压以上，IC1(TDA16888)内部的PFC(Power Factor Correction)功率因数校正控制电路被触发启动。脚9上电压跌落到11V的关断门坎电压之前，集成电路IC可被激活，为一次整流电路(I)中功率开关管Q1栅极发送驱动脉冲。

IC1(TDA16888)通过双闭环控制实现有源功率因数校正。在图1所示电路中，电流环(内环、高动态响应)是由IC1(TDA16888)内部的电流误差放大器OP2和外部的由电阻R10、R11、R12和电容C1与C2组成的第一比例积分(PI)控制电路，具有平均电流感应作用。电压环(外环、低截止频率，有效滤除整流后的100Hz干扰信号)是由IC1(TDA16888)内部的电压误差放大器OP1和外部的由电阻R6、R7、R14和电容C3与C4组成的第二比例积分(PI)控制电路，具有电压感应和补偿作用。IC1(TDA16888)的核心是一个模拟乘法器，它为电流误差放大器(OP2)产生一个受控的电流基准信号QM，这个信号是由电压误差放大器(OP1)输出的叠加DC小纹波的电压信号M2与来自脚1的AC电流传感信号M1(通过电阻R9得到)相乘而得到的，因此这个电流基准信号既具有输入电压的形状(双半正弦波)同时又含控制输出电压幅值的作用。电流误差放大器(OP2)对乘法器电压输入信号M2有一个扩充功能，在轻载和空载情况下，只要电压误差放大器(OP1)的输出降至1.2V以下，通过校正乘法器输出电流，就可实现对DC总线电压的调节作用，保证DC输出总线电压的稳定性。通过后续的脉冲宽度调制器(PWM)和门极驱动器(具有快速、软切换特性的图腾柱结构，有效降低EMI，且在IC履行电流限制功能时，能快速关断功率开关Q1)控制开关管Q1的通断，交流输入电流就会变成近似正弦波，功率因数接近于1，而PFC(Power Factor Correction)功率因数校正的DC输出电压通过改变分压电阻R6、R7的阻值也稳定在380V。

电感电流可通过检测电流感应电阻R2的压降而得到。峰值电流限值电路中的限流电阻R8、R15可决定PFC(Power Factor Correction)功率因数校正的峰值电流限值；分压电阻R4、R5确定了过压的阈值。IC1(TDA16888)的第一个过电压门限是DC母线电压比设定值(380V)高出10％以上时，通过集成电路IC内的OTA2和乘法器关断功率开关Q1，以阻止DC总线电压的升高。当DC总线电压比设定值高20％时，达到第二个过电压门限，集成电路IC将迅速关闭PFC(Power Factor Correction功率因数校正)输出，并与输入端压敏电阻VR1相结合，履行过电压保护功能。

本实用新型为了提高模块的可靠性，具有良好的散热设计，如，为了扩大散热面积以便使PCB上的热分布比较均衡，将开关管Q1采取双管并联的方式；同时将模块与散热器实现了完全电隔离，保证安全性；并且使模块可与后级的用于压缩机驱动的IPM(Intelligent Power Module)智能功率模块安装在同一散热器上，不仅连接引线缩短而节省成本，并且减少了引线电感，提高了可靠性；另外，散热器还可借助变频空调室外机风机增强散热效果。

本实用新型为了有效抑制电流开关元件工作过程中产生的干扰，采用了多种技术加以抑制，如合理接地、合理布局布线、空间方位分离、滤波、吸收和旁路等。

综上所述，本实用新型针对变频空调控制器的需要，设计了功率因数校正模块。利用该模块有效抑制变频空调控制器功率变换过程中产生的电流畸变，降低谐波电流对电网的污染，提高电网的利用率；同时可实现高功率因数，适应宽输入(150V-270V)电压范围，并集成多种保护电路和具有功率因数校正、整流滤波、电流限制、电压监测等功能；而且还具备优良的散热设计，大大提高变频空调控制器的可靠性；并且本实用新型模块体积小，结构紧凑，实现了小型化，因而不受变频空调控制器安装条件的限制；组装连接简易，便于拆卸与维护，因此极为实用。

Claims (9)

1.一种变频空调用功率因数校正模块，其特征在于：所述的功率因数校正模块由一次整流电路(I)和连接在一次整流电路(I)输出端的功率因数校正电路(II)连接组成。

2.如权利要求1所述的变频空调用功率因数校正模块，其特征在于：所述的一次整流电路(I)包括，设置在电源输入端的熔断器、与电源输入端和熔断器连接的滤波电路、连接在滤波电路输出端的浪涌电压抑制电路和浪涌电流抑制电路、输入端分别连接在浪涌电压抑制电路与浪涌电流抑制电路输出端的全桥整流电路。

3.如权利要求2所述的变频空调用功率因数校正模块，其特征在于：所述的一次整流电路(I)中的浪涌电压抑制电路由一压敏电阻VR1组成，该压敏电阻设置在滤波电路的两输出端。

4.如权利要求2所述的变频空调用功率因数校正模块，其特征在于：所述的一次整流电路(I)中的浪涌电流抑制电路由并联的电阻R1和继电器S1组成，浪涌电流抑制电路的一端与滤波电路的一输出端连接，另一端连接至全桥整流电路的另一输入端。

5.如权利要求1所述的变频空调用功率因数校正模块，其特征在于：所述的功率因数校正电路(II)包括主电路和控制电路；所述的主电路由有源升压式预变换电路构成；所述的控制电路是由功率因数校正集成电路IC1及其附加周边电路构成。

6.如权利要求5所述的变频空调用功率因数校正模块，其特征在于：所述的由有源升压式预变换电路构成的主电路包括，分别连接在一次整流电路(I)中全桥整流电路正输出端和负输出端的一升压电感L1和一电流传感电阻R2、设置在升压电感L1的辅助绕组两端的一同步整流滤波器、共接在升压电感L1另一端的功率开关Q1和升压二极管D1、连接在升压二极管D1负极和电流传感电阻R2另一端的滤波电容E1，形成有源升压式预变换电路。

7.如权利要求6所述的变频空调用功率因数校正模块，其特征在于：所述的功率开关Q1采取双管并联的方式。

8.如权利要求5所述的变频空调用功率因数校正模块，其特征在于：

所述的控制电路中的功率因数校正集成电路IC1采用的是型号为TDA16888功率因数校正控制器电路；

所述的TDA16888功率因数校正控制器电路IC1周边设置了如下辅助电路：

辅助电源电路，由同步整流滤波电路，设置在控制器电路IC1脚9的电容E2和电容C5，以及分别连接于滤波电容E1正极和控制器电路IC1脚20之间的分压电阻R16、R18组成的辅助电源监视电路组成；

第一比例积分控制电路，由分别设置在控制器电路IC1脚4、脚5、脚3处的三电阻R10、R11、R12和串接后跨接在控制器电路IC1脚4和脚3处的两电容C1和C2组成；

第二比例积分控制电路，由分别设置在控制器电路IC1脚17、脚18处的三电阻R6、R7、R14和串接后跨接在控制器电路IC1脚17、18两端的两电容C3与C4组成；

输入电压波形采样电路，由一端设置在一次整流电路(I)全桥整流电路正输出端另一端设置在控制器电路IC1脚1处的限流电阻R9构成；

输出电压采样电路，由设置在控制器电路IC1脚19的分压电阻R4、R5串接组成；

峰值电流限值电路，由设置在一次整流电路(I)全桥整流电路负输出端和控制器电路IC1脚6处的限流电阻R8和设置控制器电路IC1脚6、2处的限流电阻R15组成，限流电阻R8和限流电阻R15串联连接。

9.如权利要求8所述的变频空调用功率因数校正模块，其特征在于：所述的控制电路中的功率因数校正控制器电路IC1的脚16处设置一电阻R17，通过改变R17的阻值构成振荡频率可调的振荡器。