摘要：本文介绍了一种预防电感器饱和的电路及控制策略，根据电感的特性，该电路采用电源识别技术，通过与参考电源进行比较，获取异常电压信号，通过软件控制策略，关断PFC电路的驱动信号，避免电感器饱和，提升功率器件的可靠性。
关键词：变频；PFC；电感；控制策略
变频空调走入千家万户，其技术在近年来发展非常迅速，变频空调核心电路包括了两大部分，其一是压缩机驱动部分，其二是市电功率因数校正PFC电路部分；为了应对GB 17625.1 -2003 IDT IEC61000-3-2,电磁兼容、限值、谐波电流发射限值要求，同时为了更好提供平稳母线电压给压缩机驱动使用，采用了PFC电路控制，该电路部分是处于电源前端，受到电网波动影响大，PFC电感在一些情况下容易出现饱和，本文介绍一种预防PFC电感饱和的电路及控制策略。
1 PFC电路技术原理
PFC电感以前较为成熟的方案是硅钢片方案电感，其电感量大，偏置直流饱和值大，当电网中有高脉冲干扰时，不容易产生过电流，电感不容易饱和，在对应电网波动上具有非常大的优势。而现在随着磁性材料的快速发展，适合PFC电感的软磁材料由硅钢片慢慢过渡到铁硅、铁硅铝等。为了降低损耗，改进工艺，最新的铁硅铝采用气雾化形式加工，这些材料、工艺的成熟为在变频空调上推进高频PFC奠定基础；同时半导体功率管也加快了高频化，像碳化硅、氮化镓等器件的工艺成熟应用， PFC控制开关频率越来越高，频率由最初的15KHz，到现在成熟应用的40KHz，再到现在正在研究的80KHz，频率提升越来越快。开关频率的提升，PFC电感量可以做到越来越小，由原来的5mH到现在的500uH，再到现在正在研究的250uH，电感量成倍缩小。PFC电感体积重量也越来越小，由原来硅钢片的12A5mH的重量达到0.5kg到现在的12A500uH的重量只有0.1kg，重量缩小非常惊人，现在的技术可以把PFC电感直接集成到PCB板上，能很好应对现代产品小型化，降低成本需求；但是根据电感电流i= V*△t/L公式，可知电感量越小，电流变化越大，磁性材料越容易饱和，一旦饱和后，电流急速上升，容易损坏PFC电路中的功率器件，因此需要先进的电路及控制策略来解决由此带来的影响，保障产品的可靠性。
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图1
变频空调PFC电路采用BOOST型拓扑结构，如图1所示，DB1为桥式整流器，把交流电源转变为直流脉动电源，L1为PFC储能电感，V2为开关功率管，V1为整流二极管； 当开关功率管V2导通时，交流电源通过DB1，再通过电感L1，流经开关功率管V2，形成电流回路，此时电感L1储能能量；当开关功率管V2关断时，电感L1电流流经整流二极管V1，给电容C2充电，电感储能转移到电容C2储能，提供给负载工作；周而复始，达到调整交流电源电流的正弦度，同时可以稳定电容C2上的电压。
2 检测电路原理及控制策略
PFC电路中PFC电感L1如果在某些情况发生磁饱和，失去储能作用，若此时PFC电路中的开关功率管V2导通，则开关功率管V2会导致电源短路，此时电流激增，非常大，可能达到数百安培，开关功率管V2容易失效。因此需要设计电路提前识别电感L1进入饱和区，识别到该信号则开关功率管V2，开关功率管V2没有过电流流过，因此开关功率管V2不会失效。具体保护电路如图2所示；桥式整流器的负极连接R1，作为AC电流的采样电阻。MCU端口发出PWM信号，经过驱动放大器N3，再驱动IGBT的栅极。
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图2
当ACL与ACN输入存在高压，通过桥式整流器DB1使得滤波电容C1两端的电压Uc1升高，如果此时开关功率管V2导通，那么Uc1的高电压通过电感L1放电，电流i= V*△t/L，时间△t越长，开关功率管V2电流越大，并且超过一定电流后电感L1饱和，电感量下降甚至消失，从而导致开关功率管V2电流激增，从而损坏开关功率管V2；因此，在Uc1存在高电压时，关断开关功率管V2，让电感L1电流通过整流二极管V1给储能C2充电，能量存储在C2上，让负载消耗，不会损坏器件。
整流后的电压通过电阻R3、R4分压获取低压信号送入比较器与参考电压比较，当不产生过电压时N2输出高电平（FAULT2为高电平），当产生过电压时，N2输出低电平（FAULT2由高电平转为低电平）；FAULT2连接单片机，MCU软件发出指令立即关断PWM，以致关断开关功率管V2；同时FAULT2通过V4直接把PWM信号钳位到低电平，关断开关功率管V2，实现硬件快速关断。当开关功率管V2关断后，电感电流回路由开关功率管V2变更为整流二极管V1，给电容C2充电，由于C2两端的电压本身比较高，一般在AC电源为220V时，C2电压为310V，因此，电感两端的电压差变小，电感电流增长会变得缓慢；此时可以通过电阻R1检测到电流，MCU软件获取该电流后，那么主动停止PWM信号，直到该电流下降至安全的范围，才会重新启动PWM控制，该策略能有效防止PFC电感饱和，能防止电感接近饱和时发送PWM信号，导致开关功率管V2开通。
当产生保护信号后，单片机立即关断PWM，数个周期，如果触发条件过压已经消失，立即恢复PWM控制，不进行停机，提高整机运行的可靠性。
参考电源VREF2可以采用电阻分压实现，也可以采用有源器件提供。
3 电路应用
当R3电阻值为1M欧姆，R4为10K欧姆，VREF2的电压配置为4.95V，因此当VAC峰值电压大于500V时，N2比较器会翻转，输出FAULT2信号；由于该电路几乎不需要滤波，其电路识别高VAC电压硬件反应速度非常快，一般在5us内；设定Uc1电压为500V，电感量为500uH，时间为5us，那么计算电流i= V*△t/L=Uc1*t/L=500*5/500=5A，因此当出现高电压危害时，能快速在5us内保护，此时电流增量为5A，因此电感在饱和前已经关断IGBT，电感就不会发生饱和。
4 结论
1） 图2的PFC保护电路，保护了PFC电感进入饱和区；
2） 保护了开关功率管V2以免遭受过电流冲击损伤；
3） 控制策略使得变频空调能在各种恶劣电网中健壮运行。
参考文献：
[1]GB 17625.1 -2003 IDT IEC61000-3-2,电磁兼容、限值、谐波电流发射限值［S］
[2]功率因数校正(PFC)手册[J] 安森美公司 2004 版本2
[3]使用dsPIC? DSC 实现能量转换应用中的功率因数校正[J] 微芯科技公司2008 AN1106