一種多驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用單電源供電的應(yīng)用

胡雅潔

（珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070）

前言

變頻多聯(lián)式中央空調(diào)具有節(jié)能舒適、占用空間小、安裝方便、使用靈活等多種優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越受到消費(fèi)者的青睞。通常多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組系統(tǒng)包括一個(gè)室外側(cè)系統(tǒng) （室外機(jī)）和多個(gè)室內(nèi)側(cè)系統(tǒng) （室內(nèi)機(jī)），為提高整機(jī)散熱性能，某些室外機(jī)組需帶兩個(gè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行。一般地，變頻空調(diào)壓縮機(jī)與風(fēng)機(jī)都采用變頻調(diào)速控制方式，且各自的驅(qū)動(dòng)控制器完全獨(dú)立，采用分布式獨(dú)立電源，即每個(gè)驅(qū)動(dòng)都有自己的電源供電系統(tǒng)。與此同時(shí)，變頻驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的PCB尺寸會(huì)較大、成本會(huì)較高、且能耗也難以降低，難以滿足節(jié)能和高性價(jià)比的要求。此外，變頻多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組在中央空調(diào)領(lǐng)域中所占份額較大，每年消耗的電能較多，并且隨著其市場(chǎng)需求及使用數(shù)量的不斷增加，獨(dú)立式電源供電方式的累計(jì)成本將大大增加。隨著人們消費(fèi)及生產(chǎn)理念的轉(zhuǎn)變，產(chǎn)品的便攜式已逐漸列入，除價(jià)格、可靠性、美觀性外人們追逐的主流要素當(dāng)中。一種體積更小、價(jià)格更低、生產(chǎn)效率更高的新一代變頻驅(qū)動(dòng)控制器急需被開(kāi)發(fā)。特別是我國(guó)作為空調(diào)生產(chǎn)和消費(fèi)的大國(guó)，也是空調(diào)出口的大國(guó)，加上直流變頻多聯(lián)機(jī)組在中央空調(diào)領(lǐng)域中占有絕對(duì)主導(dǎo)地位，未來(lái)中央空調(diào)在縮小體積、成本降低上都將面臨更加嚴(yán)峻的“瘦身”任務(wù)。

1 單電源供電方案的工作原理

傳統(tǒng)的電源供電方案是，壓縮機(jī)與風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)變頻控制器完全獨(dú)立，分別有各自的強(qiáng)電濾波電路、整流儲(chǔ)能電路及逆變電路。如圖1。其缺點(diǎn)是整體驅(qū)動(dòng)控制器的體積大，成本高。若采用單電源供電控制方案，可減少1個(gè)濾波器及風(fēng)機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)板的一大塊整流儲(chǔ)能電路。降低變頻驅(qū)動(dòng)的成本，同時(shí)也減小了外機(jī)電控箱的體積。單風(fēng)機(jī)情況下，風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)的開(kāi)關(guān)電源、整流儲(chǔ)能電路集成在一個(gè)驅(qū)動(dòng)控制器上;雙風(fēng)機(jī)情況下，風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)Ⅱ與風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)Ⅰ的開(kāi)關(guān)電源均從壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)上取電，即2風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)共用1個(gè)開(kāi)關(guān)電源。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外空調(diào)行業(yè)，均未有2風(fēng)機(jī)共用1開(kāi)關(guān)電源的控制方式。

圖1 獨(dú)立開(kāi)關(guān)電源控制框圖

采用壓縮機(jī)與風(fēng)機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)控制器共用開(kāi)關(guān)電源的單電源控制方式，通過(guò)優(yōu)化硬件的方式，將開(kāi)關(guān)電源、整流儲(chǔ)能電路集成在一個(gè)驅(qū)動(dòng)控制器上（目前集成在壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)上），配套驅(qū)動(dòng)控制器（風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)）無(wú)需自帶開(kāi)關(guān)電源及整流儲(chǔ)能電路，與前者共用即可實(shí)現(xiàn)所有驅(qū)動(dòng)控制功能。且雙風(fēng)機(jī)情況，僅需1個(gè)開(kāi)關(guān)電源，大大降低了驅(qū)動(dòng)板的成本及尺寸。分單風(fēng)機(jī)與雙風(fēng)機(jī)兩種情況。其控制方案按單風(fēng)機(jī)及雙風(fēng)機(jī)情況區(qū)分，具體工作原理如下:

單風(fēng)機(jī):壓縮機(jī)與風(fēng)機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)控制器共用1個(gè)開(kāi)關(guān)電源及直流母線電源。整套變頻驅(qū)動(dòng)控制器僅包含:1個(gè)濾波器、1塊壓縮機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)板 （含整流儲(chǔ)能與逆變）、1塊風(fēng)機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)板 （僅含逆變）。即風(fēng)機(jī)和壓機(jī)的開(kāi)關(guān)電源、整流儲(chǔ)能電路集成在一個(gè)驅(qū)動(dòng)控制器上。

雙風(fēng)機(jī):雙風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)共用1壓機(jī)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)關(guān)電源，即風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)Ⅱ與風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)Ⅰ的開(kāi)關(guān)電源均從壓機(jī)驅(qū)動(dòng)上取電。如圖2。相對(duì)現(xiàn)有一代方案，可減少1個(gè)濾波器及風(fēng)機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)板的一大塊整流儲(chǔ)能電路。降低變頻驅(qū)動(dòng)的成本，同時(shí)也減小了外機(jī)電控箱的體積。

圖2 單開(kāi)關(guān)電源雙風(fēng)機(jī)控制框圖

2 單電源供電方案的硬件電路設(shè)計(jì)

單電源供電控制方案拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖列出了共用開(kāi)關(guān)電源的控制原理。上電后，正確接入共用直流母線端口（COM1）及開(kāi)關(guān)電源端口 （COM2），風(fēng)機(jī)及壓機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器將正常運(yùn)行。雙風(fēng)機(jī)的情況，風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)Ⅱ與風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)Ⅰ的開(kāi)關(guān)電源均從壓機(jī)驅(qū)動(dòng)上取電，即2風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)共用1個(gè)開(kāi)關(guān)電源，直流母線電壓也同時(shí)從壓機(jī)驅(qū)動(dòng)板上取電。

單開(kāi)關(guān)電源控制方式不但節(jié)約了成本，且電源輸出電壓可靠性高。為驗(yàn)證單開(kāi)關(guān)電源控制方式的滿負(fù)載 （使用最惡劣情況下的）可靠性，進(jìn)行了一些硬件可靠性測(cè)試:在額定輸入電壓 （220V）情況下，開(kāi)關(guān)電源各路電壓輸出波形。壓機(jī)驅(qū)動(dòng)及風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)上的電源主要有18V、15V、12V、5V、3.3V幾種，以下主要選取15V電源的電壓波形作為例子介紹 （見(jiàn)表1）:

表1 風(fēng)機(jī)和壓機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出電壓測(cè)量情況

從表1可以看出，采用單電源供電的方式，滿負(fù)載情況下電壓輸出正常穩(wěn)定，波形良好，無(wú)突升突降情況，可靠性高。

3 單電源供電方案電路器件的選型

當(dāng)采用單電源供電的控制方式時(shí)，開(kāi)關(guān)電源輸出的功率等級(jí)會(huì)增加，對(duì)元器件的性能特性要求會(huì)提高，高頻變壓器的選擇也需要重新考慮。因此，在采用此控制方式時(shí)，需考慮很多影響要素。

3.1 高頻變壓器的選型

由于使用雙風(fēng)機(jī)作為負(fù)載 （原負(fù)載為單風(fēng)機(jī)），負(fù)載需求增加，高頻變壓器的輸出路數(shù)也需要增加，為滿足單電源雙風(fēng)機(jī)控制工作的需要，高頻變壓器需增加輸出路數(shù);另，負(fù)載增大導(dǎo)致Ids電流的增大，需相應(yīng)的增大高頻變壓器初級(jí)繞組的線徑，高頻變壓器需重新設(shè)計(jì)。

3.2 電源芯片的選型

較常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)電源芯片是TNY278（PI廠家，以下也將以TNY278為例介紹開(kāi)關(guān)芯片）。

同樣，由于使用雙風(fēng)機(jī)作為負(fù)載，開(kāi)關(guān)電源的關(guān)鍵器件的參數(shù)需作調(diào)整。由于負(fù)載增多，高頻變壓器的輸出路數(shù)需增加，與此同時(shí)，其漏感也會(huì)相應(yīng)的增加，變壓器初級(jí)漏感造成的尖峰電壓Vspike也會(huì)相應(yīng)的增加。

由變壓器漏感造成的 Vspike可通過(guò)外圍電路（RCD）吸收，使其在最大交流輸入電壓、最大負(fù)載的情況下Vds的波形尖峰不超過(guò)開(kāi)關(guān)管的耐壓值，但基本前提是，電源芯片要選取更高的耐壓等級(jí)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，TNY278開(kāi)關(guān)管的耐壓值可滿足此控制方式的使用 （耐壓值為700V）。

圖3 漏源極尖峰電壓 （Vds）的組成

其中Vin為輸入直流電壓VDC，Vor為變壓器次級(jí)反射電壓，Vspike為變壓器初級(jí)漏感造成的尖峰電壓。

開(kāi)關(guān)管開(kāi)通后，漏源極電壓會(huì)在瞬間降為零，此時(shí)，其漏極電流Ids開(kāi)始上升，當(dāng)占空比達(dá)到最大且電流也達(dá)到最大值時(shí)，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，電流瞬間降為零。由Ids的波形可以看出在開(kāi)關(guān)剛開(kāi)通時(shí)，有電流尖峰產(chǎn)生。第一個(gè)尖峰電流是開(kāi)關(guān)管動(dòng)作的噪聲，不會(huì)影響正常使用。為了防止誤保護(hù)，TNY278在其內(nèi)部設(shè)置了前沿消隱時(shí)間，即在開(kāi)關(guān)開(kāi)通的一段時(shí)間 （215ns）內(nèi)不檢測(cè)電流值，因此即使達(dá)到了流限值也不會(huì)出現(xiàn)關(guān)斷開(kāi)關(guān)管負(fù)載增大的情況。第二個(gè)尖峰就是真正的Ids電流波形，負(fù)載增加后，第二個(gè)尖峰電流會(huì)相應(yīng)的增大，因此單電源供電控制的控制方式需選擇耐電流值更大的芯片。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，TNY278開(kāi)關(guān)管的耐電流值可滿足此控制方式的使用。

圖4 Ids、Vds波形

3.3 輸出電容容值增大

當(dāng)負(fù)載增大后，需將開(kāi)關(guān)電源的輸出電容增大，才能降低輸出紋波電壓，因此輸出電容的成本會(huì)有一定的增加，但很微小。

4 單電源供電方案的應(yīng)用

在變頻多聯(lián)式機(jī)組上，首次使用了單開(kāi)關(guān)電源供電的控制方式，兩個(gè)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)同時(shí)在壓機(jī)驅(qū)動(dòng)上取電。硬件上，開(kāi)關(guān)電源、整流儲(chǔ)能電路集成在一個(gè)驅(qū)動(dòng)控制器上 （目前集成在壓機(jī)驅(qū)動(dòng)上），兩風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)無(wú)需自帶開(kāi)關(guān)電源及整流儲(chǔ)能電路，即可與壓機(jī)驅(qū)動(dòng)配套，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立開(kāi)關(guān)電源驅(qū)動(dòng)控制方式的所有功能。

上電正確接入共用直流母線端口（COM1）及開(kāi)關(guān)電源端口 （COM2），待主控板發(fā)開(kāi)機(jī)命令后，風(fēng)機(jī)及壓機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器即可正常運(yùn)行。變頻多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組在中央空調(diào)領(lǐng)域中占有絕對(duì)主導(dǎo)地位，并逐漸成為空調(diào)市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。成本低、外觀簡(jiǎn)潔美觀、可靠性高的產(chǎn)品已成為人們追逐的潮流產(chǎn)品，單電源供電控制方式具有明顯的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，今后的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)隨著需求的增多而逐漸擴(kuò)大。

5 結(jié)束語(yǔ)

上述的單開(kāi)關(guān)電源供電控制方案，通過(guò)輸出電源的測(cè)試，驗(yàn)證了在最惡劣情況下的輸出穩(wěn)定性;經(jīng)過(guò)在直流變頻多聯(lián)空調(diào)機(jī)組上的應(yīng)用，驗(yàn)證了其使用的可靠性，基本滿足多聯(lián)機(jī)組電源使用的需求。同時(shí)其體積更小、成本更低、操作更易、外觀更簡(jiǎn)潔的優(yōu)點(diǎn)可在今后推廣應(yīng)用在更多的機(jī)組上。

［1］ 沙占友.新型單片開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 ［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2001

［2］ 沙占友，王曉君，王彥朋.TOPSwitch－FX系列單片機(jī)開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2001，（2）:33－35

* Power Int數(shù)據(jù)手冊(cè)及設(shè)計(jì)指南 ［M］.2007