基于成本和效率考虑的PFC设计(二)—PFC的分类和控制理论

然后我们简单的看一下 PFC 的一个分类

分类的话从大类上来说一般分两种

一种叫 Active PFC ，就是我们说的有源 PFC

还有一个就是 Passive PFC ，就是无源 PFC

那么因为无源 PFC 今天不作为我们讲的一个重点

因为无源 PFC 的应用非常的受限

因为它是通过增加电容和电感来使我们的导通角张开

能够满足我们的一些这个刚才说的一些认证的要求

但是它能提高的 PF 值是非常有限的

往往可能只能做到 0.9

最关键的原因是它的体积会随和我们的输出功率成正比

那么也就说当我们输出功率增大到很大的程度

就是这一部分的器件的成本也好

体积也好，就会变得非常大

所以现在来说只有在小功率的场合

我们可能无源的 PFC 会比较适用

那么有源的 PFC

还是我们现在在大众场合的一个主流应用

那么在有源 PFC 里面

你还可以看到就是

分为非隔离和隔离的 PFC

那么隔离的 PFC

所谓隔离 PFC 也就是会和我们的拓扑相关

像我们一些全桥的或者用 flyback 来做的 PFC

就是你在设计中有加变压器的都会做成隔离的 PFC

那么对我们的空调领域来说

可能还是主要集中在这一块，就是非隔离的 PFC

非隔离的 PFC 里面又可以看到

有降压型的，有升压型的，有升降压型的

那么降压型的 Buck PFC

其实在我们这种交流输入的场合也是非常受限

因为之所以叫 Buck，那么它受限于它的这个拓扑特征

我的输出电压只能低于我的输入电压

那么你知道就是说那换言之

就是当我的输入电压高于我的输出

和低于我的输出电压的时候

我的拓扑可能就不能工作了

那么我的 PFC 就得不到校正

那这个波形也好或者 PF 值也好

可能就达不到我们的预期目标

所以在我们现在空调的主流应用里面

Boost 的 PFC 应该是最占主导的

我们继续往下看，那这一页的话应该刚才已经讲过了

那我就可以快速的翻过

然后也可以看到就是我们有源 PFC 的一个优点就是

我们可以把功率因数做到很高

无限接近于1然后让谐波电流小于5%

然后因为我们是升压的，所以我们可以

只要让我的输出的母线电压高于我的输入电压的峰值

那么我们在全部整个范围内

全部都可以实现功率因数的校正

所以可以很轻松地满足

90V 到 270V 这样的一个设计要求

你看但是由于这个电路相对于无源来说

它电路会复杂一些

那么成本也因为有加入了一些主动的元件

所以它的成本也会稍微有所增加

然后既然说到了有源的 PFC

那么不得不提几种非常大家常见的几种控制方式

这也是随着这个电力电子的不断的发展

那这种控制方式不仅仅用在 PFC 里面

其实对开关电源里面也是一些主流的应用

第一个我们就是常说的这种峰值电流控制

那么所谓的峰值电流控制是什么

因为我们刚才一开始就讲到了

我们 PFC 设计的目的就是

让输入电流跟随输入电压的变化

让我们的那个后面的系统看起来就像个电阻一样

那么你可以看到假设

这个是我们希望得到的输入电流的波形

也就是跟这个电压一样是个正弦的话

那么由于我们所谓的开关电源就是高频斩波

把每一个电流细分成一截一截，然后让它的包络线

这个就是我们的包络线峰值电流的包络线

这个是我们的平均电流

去和我们的输入电压一致

所以呢它的主要的控制思想就是说固定时钟开启

然后只要一达到我的希望得到的这个给定

也就是我们的这个峰值电流我们都关断

那么所以这里画的是一个临界导通的模式

当然它也可以实现连续导通

也可以实现断续，都是可以实现

在整个范围内都会实现

那么其实你可以看到这种控制方式是比较简单

因为它是定频的，而且只要到了一个点开

然后只要到达我需要控制的那个电流我就关

那么这样的话它可以

它的优点就是我们的反应响应会比较快

而且因为它是到了我们的设置点就关的话

所以我们是自带就是逐波限流的功能

所以你不可能在每一个周期会出现很大的地方

一旦超过它就会把你的占空比给关掉

电流马上就掉下来

但是我们实际看到的输入电流的波形是我们的这条线

那么当我们控制的是外面的包络线

这个就是说我们控制的

和我们实际得到的是有一定的误差的

那么这也就是峰值电流型控制的一个弱点

那么而且因为它是对峰值电流上

我一旦给定上产生了一点干扰

那么就会导致相当于我的这个系统会对噪音会比较敏感

这两点可能就是我们这种控制方式的一个弱点

基于此,我们后面有人又提出了一个平均电流的控制方式

所谓的平均电流其实主要的思想和峰值电流类似

但又有点不一样

因为它在中间又插入了一级电流反馈闭环的电流反馈

它就是说你可以把实际电流上的实际电感上的电流

带着纹波信号的实际电感电流反馈作为中间的一级

然后去作为我们的最终的占空比的控制

那么这里面说明了什么

就是说比如说

它把这个带纹波电流直接的反馈作为我们的给定

是我们的控制系统的给定

然后它就会围绕着我们的纹波电流

你可以看到它实际控制得出来的就是我们的实际电流

所以它相比峰值电流来说

它更接近于我们想要得到的电流波形

它就说能精确地跟踪电流基准

也就那么既然精确的跟踪电流基准的话

我们的波形就能更接近于正弦，那么我们刚才说过了

我越接近于正弦，我的 THD 就越小

而且因为它的这个地方的抗干扰能力

是远远高于这个峰值电流的情况

但是由于我增加了一个环节

所以我的控制是会比峰值电流更加复杂

但是目前来说

这种控制方式应该是最主流的控制方式

然后还有一种叫我们叫滞环控制

滞环控制其实从控制理论上我觉得应该是最简单的

就是它设定对电感电流设定一个上限和一个下限

然后就让我的电感电流低到我的下限，我就开

高到我的上限我就关

那么很显然这种方式我们定频是没法做的

因为它的开关是取决于我这个滞环的上下限的设定

我设得越近的话，我可能开关的频率就会越高

设定远的话，这个带宽

这个滞环的环越远离的越远的话

它的开关频率可能相对的就会降低

那么这种方式的优点就是

控制比较简单响应也很快

我们刚才说了我可以人为的设置它的带宽的大小，误差也会比较小

但缺点也同样很突出

因为你从这个波形图上就可以看得出

最大的问题出现了过零

因为你一旦到了这一点以后，其实到了这点以后

你下限也是零上限也是零

换句话说你自己你也不知道是开是关

所以我们这个地方对下限过零的时候自然会出现一段空白地带

那么这一段的时候就会导致我们的 THD 会变差

这是一个最大的问题

第二因为它是变频的

变频带来的最大问题就是 EMI 比较难过

然后我们简单的看一下 PFC 的一个分类

分类的话从大类上来说一般分两种

一种叫 Active PFC ，就是我们说的有源 PFC

还有一个就是 Passive PFC ，就是无源 PFC

那么因为无源 PFC 今天不作为我们讲的一个重点

因为无源 PFC 的应用非常的受限

因为它是通过增加电容和电感来使我们的导通角张开

能够满足我们的一些这个刚才说的一些认证的要求

但是它能提高的 PF 值是非常有限的

往往可能只能做到 0.9

最关键的原因是它的体积会随和我们的输出功率成正比

那么也就说当我们输出功率增大到很大的程度

就是这一部分的器件的成本也好

体积也好，就会变得非常大

所以现在来说只有在小功率的场合

我们可能无源的 PFC 会比较适用

那么有源的 PFC

还是我们现在在大众场合的一个主流应用

那么在有源 PFC 里面

你还可以看到就是

分为非隔离和隔离的 PFC

那么隔离的 PFC

所谓隔离 PFC 也就是会和我们的拓扑相关

像我们一些全桥的或者用 flyback 来做的 PFC

就是你在设计中有加变压器的都会做成隔离的 PFC

那么对我们的空调领域来说

可能还是主要集中在这一块，就是非隔离的 PFC

非隔离的 PFC 里面又可以看到

有降压型的，有升压型的，有升降压型的

那么降压型的 Buck PFC

其实在我们这种交流输入的场合也是非常受限

因为之所以叫 Buck，那么它受限于它的这个拓扑特征

我的输出电压只能低于我的输入电压

那么你知道就是说那换言之

就是当我的输入电压高于我的输出

和低于我的输出电压的时候

我的拓扑可能就不能工作了

那么我的 PFC 就得不到校正

那这个波形也好或者 PF 值也好

可能就达不到我们的预期目标

所以在我们现在空调的主流应用里面

Boost 的 PFC 应该是最占主导的

我们继续往下看，那这一页的话应该刚才已经讲过了

那我就可以快速的翻过

然后也可以看到就是我们有源 PFC 的一个优点就是

我们可以把功率因数做到很高

无限接近于1然后让谐波电流小于5%

然后因为我们是升压的，所以我们可以

只要让我的输出的母线电压高于我的输入电压的峰值

那么我们在全部整个范围内

全部都可以实现功率因数的校正

所以可以很轻松地满足

90V 到 270V 这样的一个设计要求

你看但是由于这个电路相对于无源来说

它电路会复杂一些

那么成本也因为有加入了一些主动的元件

所以它的成本也会稍微有所增加

然后既然说到了有源的 PFC

那么不得不提几种非常大家常见的几种控制方式

这也是随着这个电力电子的不断的发展

那这种控制方式不仅仅用在 PFC 里面

其实对开关电源里面也是一些主流的应用

第一个我们就是常说的这种峰值电流控制

那么所谓的峰值电流控制是什么

因为我们刚才一开始就讲到了

我们 PFC 设计的目的就是

让输入电流跟随输入电压的变化

让我们的那个后面的系统看起来就像个电阻一样

那么你可以看到假设

这个是我们希望得到的输入电流的波形

也就是跟这个电压一样是个正弦的话

那么由于我们所谓的开关电源就是高频斩波

把每一个电流细分成一截一截，然后让它的包络线

这个就是我们的包络线峰值电流的包络线

这个是我们的平均电流

去和我们的输入电压一致

所以呢它的主要的控制思想就是说固定时钟开启

然后只要一达到我的希望得到的这个给定

也就是我们的这个峰值电流我们都关断

那么所以这里画的是一个临界导通的模式

当然它也可以实现连续导通

也可以实现断续，都是可以实现

在整个范围内都会实现

那么其实你可以看到这种控制方式是比较简单

因为它是定频的，而且只要到了一个点开

然后只要到达我需要控制的那个电流我就关

那么这样的话它可以

它的优点就是我们的反应响应会比较快

而且因为它是到了我们的设置点就关的话

所以我们是自带就是逐波限流的功能

所以你不可能在每一个周期会出现很大的地方

一旦超过它就会把你的占空比给关掉

电流马上就掉下来

但是我们实际看到的输入电流的波形是我们的这条线

那么当我们控制的是外面的包络线

这个就是说我们控制的

和我们实际得到的是有一定的误差的

那么这也就是峰值电流型控制的一个弱点

那么而且因为它是对峰值电流上

我一旦给定上产生了一点干扰

那么就会导致相当于我的这个系统会对噪音会比较敏感

这两点可能就是我们这种控制方式的一个弱点

基于此,我们后面有人又提出了一个平均电流的控制方式

所谓的平均电流其实主要的思想和峰值电流类似

但又有点不一样

因为它在中间又插入了一级电流反馈闭环的电流反馈

它就是说你可以把实际电流上的实际电感上的电流

带着纹波信号的实际电感电流反馈作为中间的一级

然后去作为我们的最终的占空比的控制

那么这里面说明了什么

就是说比如说

它把这个带纹波电流直接的反馈作为我们的给定

是我们的控制系统的给定

然后它就会围绕着我们的纹波电流

你可以看到它实际控制得出来的就是我们的实际电流

所以它相比峰值电流来说

它更接近于我们想要得到的电流波形

它就说能精确地跟踪电流基准

也就那么既然精确的跟踪电流基准的话

我们的波形就能更接近于正弦，那么我们刚才说过了

我越接近于正弦，我的 THD 就越小

而且因为它的这个地方的抗干扰能力

是远远高于这个峰值电流的情况

但是由于我增加了一个环节

所以我的控制是会比峰值电流更加复杂

但是目前来说

这种控制方式应该是最主流的控制方式

然后还有一种叫我们叫滞环控制

滞环控制其实从控制理论上我觉得应该是最简单的

就是它设定对电感电流设定一个上限和一个下限

然后就让我的电感电流低到我的下限，我就开

高到我的上限我就关

那么很显然这种方式我们定频是没法做的

因为它的开关是取决于我这个滞环的上下限的设定

我设得越近的话，我可能开关的频率就会越高

设定远的话，这个带宽

这个滞环的环越远离的越远的话

它的开关频率可能相对的就会降低

那么这种方式的优点就是

控制比较简单响应也很快

我们刚才说了我可以人为的设置它的带宽的大小，误差也会比较小

但缺点也同样很突出

因为你从这个波形图上就可以看得出

最大的问题出现了过零

因为你一旦到了这一点以后，其实到了这点以后

你下限也是零上限也是零

换句话说你自己你也不知道是开是关

所以我们这个地方对下限过零的时候自然会出现一段空白地带

那么这一段的时候就会导致我们的 THD 会变差

这是一个最大的问题

第二因为它是变频的

变频带来的最大问题就是 EMI 比较难过