PFC电源设计与电感设计计算(二) — 常见PFC电路和特点(1)

各位电源工程师朋友们 大家好

我是邵革良

从这一讲开始

我们开始讲解

PFC 电源设计与电感的设计计算

里面的第一部分 第一个讲解

就是常见的 PFC 电路以及它的特点

我们这个 PFC 电路和特点

我们分两讲来讲

今天是讲第一讲

这一讲的主要内容是四个方面

第一个就是我会介绍一下

连续电流模型和临界电流模型

它的特点和区别

那么第二个呢

再去介绍我们单路的 PFC

和交错并联 PFC

那么紧接着就是无桥 PFC

我们为了提高 PFC 的电源效率

所以一定要把前面这一个整流桥去掉

整流二极管的压降很高

所以这一个部分把它去掉之后呢

来改善我们 PFC 的运行的效率

所以无桥 PFC 我们会使用得越来越广泛

最后呢 会介绍一下单路单相的 PFC

和三相 PFC

主要是这四个方面

那么讲到 PFC 电路呢

其实我们有个概念

非常希望大家去了解或者是理解

我们很多电源工程师

一上来就说 PFC 电路上

讲到 PFC 马上就会说

它主要是一个升压

把这个电压稳定住

达到比如输出单相输入的时候

达到一个 380V 或者 400V 左右的直流

然后给后面供电

所以我们想到 PFC 的时候

往往脑袋里有这么一个印象

其实这就有一点

忘掉了 PFC 这个电路是为什么出来的

为什么要用

我们讲到电源

其实供电都是交流电就是交流的电源供电

我们有一个整流电路

最后变成一个直流了

最后我们给负载供电

无论是 DC/DC 后面的 DC/DC 逆变

或者说我们把 DC/AC 变成了交流电输出

像这个给电机驱动 压缩机驱动

或者是给其他的一些变成一个 UPS 交流的输出

不管怎么变

我们都是需要把这个交流电 50Hz 的交流电

把它整流变成直流

最终利用了这个直流

来进行各种各样的高频的变换

所以为什么要引入 PFC

不要行不行

其实从我们在后面这个电路里面

在负载使用的时候我们要的是一个直流电

但是我们电网进来的肯定是

50Hz 或 60Hz 的交流电

所以一定要把交流电整流变成直流

那其实不要 PFC 一样好用

而且电磁兼容的问题还简单了

就是直接把它整流滤波就好了

问题就是什么呢

就是我们整流这个整流滤波之后

比如说我这个整流直接接了一个电解电容

比如说我这个整流直接接了一个电解电容

在这滤波

那么大家可以看到我们这个波形

这一个正弦波波形是我们输入的电源电压

就正弦波的电压

这个黑的颜色实际上是我们这个电容器的电压波形

就是有点带点纹波的直流 已经变成直流了

这个时候我们看输入的 iAC

iAC 的波形你会发现

它实际上是一个锯齿波一样的东西

为什么是这样呢

就是说在我们输入的电源电压的时候

低于输出 Vc 这个电压

它实际上是没有电流往里面流的

没有电流往里面流的这个电流是零

等到这个电压开始超越后面电压的时候

通过这个二极管

强制就相当于为零的时候

就相当于强制短路了

就是直接给电容器大电流的灌封

所以电流瞬间就提升到很高

那么直接就灌进去了

灌进去之后随着电压继续往上涨

这个电容充电电压往上拉的时候

电流就会往下降了

那么达到最高电压点的时候

正弦波最高电压点等于充电充满了

那么下来就掉下来就没有电流了

所以必然会形成一个类似这样的三角形的

锯齿波这样的东西

形成这样的电路呢

其实对我们的后期来讲是根本不在乎的

问题在于什么呢

如果我们形成这样的一个波形

不是电流波形 不是一个正弦波

按照我们高等数学里面学过

傅里叶变换

也就是说任何一个周期性的函数

我们都可以把它分解成由一次

有基波 就是一次的

我们说的这个一次就是 50Hz

如果整流之后把它翻上去就是 100Hz

就是说有 100Hz 还有若干个无限多次的

高次谐波的一个组合

也就是说如果两次 100Hz 就变成了 200Hz 了

三次就变成了 300Hz 了

那也就是说它任何一个这样的函数

周期性的函数都可以被

分解成

一次的两次的三次四次一直到 N 次

由这样的波形的组合

最后的组合之后

就变成了我们出来这种稀奇古怪的

这种电流波形

但是当然了

周期性函数是理想的周期性函数

它是没有这个

二次四次这个偶次谐波

就是说是单次谐波

就是一三五七九这样

那么不管有单次还是偶次

也就是它总是它不是 100Hz 的

也就是从电网来看并不是 50Hz 的

不是 50Hz 的有什么问题

电流一定要从电网里面来拉进来对不对

就是我们假设电源这个地方

我们的电源插座

外面接到哪去了

接到我们的三相工频变压器上去

那么也就是说 100Hz 也好

200Hz 300Hz 甚至几千赫兹

这个电流一定要从电源拉进来

但是变压器只是 50Hz 的

也就是说这一部分的电流

必须从变压器拉过来

或者是变压器旁边的电力电解电容里面往外放

所以它问题就出在这个地方

就是这就是高次谐波

而这些高次谐波最终都会形成变压器的发热

和电力电容器的发热

如果变压器能承受得了

电容器又不进行滤波

电容器又不进行滤波

那么都返回到最终的发电机里面去了

都会烧毁

变压器也会烧毁 发电机也会烧毁

所以引起电网的解列 就是电网瘫痪

为了解决这个问题

实际上我们希望

希望我们交流输入的时候

最好是直接接一个电阻负载

也就是说交流电

交流电的这个正弦波波形的

电流波形也是正弦波的

不光是电压 电压和电流是完全是同步的

完全是实时同步的

就不会又滞后 不会有超前

那么如果是能达到这样的话

这样对电网的影响最小

为了解决这个问题

所以说我们国际上就有一个这个

IEC61000-3-2 的高次谐波的标准

就是防止对电网造成这个重大的事故来定义的

那么讲到这儿大家都清楚了

也就是说我们不管是 DC/DC 还是 DC/AC

我们这种的应用

我们供电都是交流电

正弦波进来的

所以既然是正弦波过来

后面我们一定有一个电容器的大电解

或者是大容量的电容器去滤波

那么必然如果不进行这个电流波形的处理

它必然会形成一些

不同于正弦波的各种各样奇怪的波形

这些波形就会产生高次谐波

而这些高次谐波只要送到电网里面去

就会对电网里面的电力变压器

电力电容等等会造成伤害

甚至严重的时候会烧毁

那么 为了解决这个问题

所以说我们要求从电网进来的时候

要求是我们所有的用电负荷

必须是尽可能地做到呈电阻负载

因为电阻负载就不存在这个问题

所以从这个意义上来讲

PFC 有什么目的

PFC 实际上最终的一个目的

就是抑制高次谐波

这个主要是指电流谐波的

就是不能让它出现两次的三次的四次的五次的

一直到 N 次的

那只保留一个基波就是一次的

50Hz 或者 100Hz 的

那么这种情况

这是我们做 PFC 电路的一个最重要的目的

所以我们千万不要把这个目的忘掉了

我们大部分的工程师一上来就是下面这个目的

输出稳压调压

我们因为这个电路

刚才看到的这个电路实际上输出电压是

比如 380 也好 400V 直流也好

就是用它来稳压或者调节电压的

其实我们电源工程师时常呢就把

真正重要的高次谐波的抑制的根源

为什么这样就把它忘掉了 很重要的

只盯着一个 稳压和升压这种功能

那么这个就是我们一定要重视的问题所在

重视了这个问题所在

所以说其实我们的目的很明确

就是要不要让它出现这种高次谐波

让它来符合我们 IEC 的标准

来支持 PFC 电路的 为什么设计它的

最重要的目的

那么一旦离开了这个条件

所以我们就不要去谈 PFC 了

比如说我们很多 DC/DC 的电路里面

它也要有个 Boost 升压

它输入的是电池或者太阳能电池板

包括光伏逆变器

它有一个 Boost 升压

那么后面把它逆变成交流

返回到电网去

所以这里面就不存在 PFC 的说法

所以我们叫 Boost 电路 就是升压电路

当然它也有个高次谐波的抑制

它在哪里呢

它比如说这个地方不是接电机

是接到电网里面去了 所以它并网

那如果我们逆变器产生的波形 电流波形畸变

如果灌到电网里面去

也同样会产生同样的问题

所以也必须满足 IEC61000-3-2 这种标准

那这就是我们

刚才讲的问题所在

所以我们理解了这一点

所以什么时候我们叫 PFC

什么时候叫 Boost 升压

为什么这么叫

这个大家就非常好理解了

就非常清晰了

所以这一点我特地把这个内容讲得多一点

就是我们千万不要忘记了我们做事情的目的和本源

各位电源工程师朋友们 大家好

我是邵革良

从这一讲开始

我们开始讲解

PFC 电源设计与电感的设计计算

里面的第一部分 第一个讲解

就是常见的 PFC 电路以及它的特点

我们这个 PFC 电路和特点

我们分两讲来讲

今天是讲第一讲

这一讲的主要内容是四个方面

第一个就是我会介绍一下

连续电流模型和临界电流模型

它的特点和区别

那么第二个呢

再去介绍我们单路的 PFC

和交错并联 PFC

那么紧接着就是无桥 PFC

我们为了提高 PFC 的电源效率

所以一定要把前面这一个整流桥去掉

整流二极管的压降很高

所以这一个部分把它去掉之后呢

来改善我们 PFC 的运行的效率

所以无桥 PFC 我们会使用得越来越广泛

最后呢 会介绍一下单路单相的 PFC

和三相 PFC

主要是这四个方面

那么讲到 PFC 电路呢

其实我们有个概念

非常希望大家去了解或者是理解

我们很多电源工程师

一上来就说 PFC 电路上

讲到 PFC 马上就会说

它主要是一个升压

把这个电压稳定住

达到比如输出单相输入的时候

达到一个 380V 或者 400V 左右的直流

然后给后面供电

所以我们想到 PFC 的时候

往往脑袋里有这么一个印象

其实这就有一点

忘掉了 PFC 这个电路是为什么出来的

为什么要用

我们讲到电源

其实供电都是交流电就是交流的电源供电

我们有一个整流电路

最后变成一个直流了

最后我们给负载供电

无论是 DC/DC 后面的 DC/DC 逆变

或者说我们把 DC/AC 变成了交流电输出

像这个给电机驱动 压缩机驱动

或者是给其他的一些变成一个 UPS 交流的输出

不管怎么变

我们都是需要把这个交流电 50Hz 的交流电

把它整流变成直流

最终利用了这个直流

来进行各种各样的高频的变换

所以为什么要引入 PFC

不要行不行

其实从我们在后面这个电路里面

在负载使用的时候我们要的是一个直流电

但是我们电网进来的肯定是

50Hz 或 60Hz 的交流电

所以一定要把交流电整流变成直流

那其实不要 PFC 一样好用

而且电磁兼容的问题还简单了

就是直接把它整流滤波就好了

问题就是什么呢

就是我们整流这个整流滤波之后

比如说我这个整流直接接了一个电解电容

比如说我这个整流直接接了一个电解电容

在这滤波

那么大家可以看到我们这个波形

这一个正弦波波形是我们输入的电源电压

就正弦波的电压

这个黑的颜色实际上是我们这个电容器的电压波形

就是有点带点纹波的直流 已经变成直流了

这个时候我们看输入的 iAC

iAC 的波形你会发现

它实际上是一个锯齿波一样的东西

为什么是这样呢

就是说在我们输入的电源电压的时候

低于输出 Vc 这个电压

它实际上是没有电流往里面流的

没有电流往里面流的这个电流是零

等到这个电压开始超越后面电压的时候

通过这个二极管

强制就相当于为零的时候

就相当于强制短路了

就是直接给电容器大电流的灌封

所以电流瞬间就提升到很高

那么直接就灌进去了

灌进去之后随着电压继续往上涨

这个电容充电电压往上拉的时候

电流就会往下降了

那么达到最高电压点的时候

正弦波最高电压点等于充电充满了

那么下来就掉下来就没有电流了

所以必然会形成一个类似这样的三角形的

锯齿波这样的东西

形成这样的电路呢

其实对我们的后期来讲是根本不在乎的

问题在于什么呢

如果我们形成这样的一个波形

不是电流波形 不是一个正弦波

按照我们高等数学里面学过

傅里叶变换

也就是说任何一个周期性的函数

我们都可以把它分解成由一次

有基波 就是一次的

我们说的这个一次就是 50Hz

如果整流之后把它翻上去就是 100Hz

就是说有 100Hz 还有若干个无限多次的

高次谐波的一个组合

也就是说如果两次 100Hz 就变成了 200Hz 了

三次就变成了 300Hz 了

那也就是说它任何一个这样的函数

周期性的函数都可以被

分解成

一次的两次的三次四次一直到 N 次

由这样的波形的组合

最后的组合之后

就变成了我们出来这种稀奇古怪的

这种电流波形

但是当然了

周期性函数是理想的周期性函数

它是没有这个

二次四次这个偶次谐波

就是说是单次谐波

就是一三五七九这样

那么不管有单次还是偶次

也就是它总是它不是 100Hz 的

也就是从电网来看并不是 50Hz 的

不是 50Hz 的有什么问题

电流一定要从电网里面来拉进来对不对

就是我们假设电源这个地方

我们的电源插座

外面接到哪去了

接到我们的三相工频变压器上去

那么也就是说 100Hz 也好

200Hz 300Hz 甚至几千赫兹

这个电流一定要从电源拉进来

但是变压器只是 50Hz 的

也就是说这一部分的电流

必须从变压器拉过来

或者是变压器旁边的电力电解电容里面往外放

所以它问题就出在这个地方

就是这就是高次谐波

而这些高次谐波最终都会形成变压器的发热

和电力电容器的发热

如果变压器能承受得了

电容器又不进行滤波

电容器又不进行滤波

那么都返回到最终的发电机里面去了

都会烧毁

变压器也会烧毁 发电机也会烧毁

所以引起电网的解列 就是电网瘫痪

为了解决这个问题

实际上我们希望

希望我们交流输入的时候

最好是直接接一个电阻负载

也就是说交流电

交流电的这个正弦波波形的

电流波形也是正弦波的

不光是电压 电压和电流是完全是同步的

完全是实时同步的

就不会又滞后 不会有超前

那么如果是能达到这样的话

这样对电网的影响最小

为了解决这个问题

所以说我们国际上就有一个这个

IEC61000-3-2 的高次谐波的标准

就是防止对电网造成这个重大的事故来定义的

那么讲到这儿大家都清楚了

也就是说我们不管是 DC/DC 还是 DC/AC

我们这种的应用

我们供电都是交流电

正弦波进来的

所以既然是正弦波过来

后面我们一定有一个电容器的大电解

或者是大容量的电容器去滤波

那么必然如果不进行这个电流波形的处理

它必然会形成一些

不同于正弦波的各种各样奇怪的波形

这些波形就会产生高次谐波

而这些高次谐波只要送到电网里面去

就会对电网里面的电力变压器

电力电容等等会造成伤害

甚至严重的时候会烧毁

那么 为了解决这个问题

所以说我们要求从电网进来的时候

要求是我们所有的用电负荷

必须是尽可能地做到呈电阻负载

因为电阻负载就不存在这个问题

所以从这个意义上来讲

PFC 有什么目的

PFC 实际上最终的一个目的

就是抑制高次谐波

这个主要是指电流谐波的

就是不能让它出现两次的三次的四次的五次的

一直到 N 次的

那只保留一个基波就是一次的

50Hz 或者 100Hz 的

那么这种情况

这是我们做 PFC 电路的一个最重要的目的

所以我们千万不要把这个目的忘掉了

我们大部分的工程师一上来就是下面这个目的

输出稳压调压

我们因为这个电路

刚才看到的这个电路实际上输出电压是

比如 380 也好 400V 直流也好

就是用它来稳压或者调节电压的

其实我们电源工程师时常呢就把

真正重要的高次谐波的抑制的根源

为什么这样就把它忘掉了 很重要的

只盯着一个 稳压和升压这种功能

那么这个就是我们一定要重视的问题所在

重视了这个问题所在

所以说其实我们的目的很明确

就是要不要让它出现这种高次谐波

让它来符合我们 IEC 的标准

来支持 PFC 电路的 为什么设计它的

最重要的目的

那么一旦离开了这个条件

所以我们就不要去谈 PFC 了

比如说我们很多 DC/DC 的电路里面

它也要有个 Boost 升压

它输入的是电池或者太阳能电池板

包括光伏逆变器

它有一个 Boost 升压

那么后面把它逆变成交流

返回到电网去

所以这里面就不存在 PFC 的说法

所以我们叫 Boost 电路 就是升压电路

当然它也有个高次谐波的抑制

它在哪里呢

它比如说这个地方不是接电机

是接到电网里面去了 所以它并网

那如果我们逆变器产生的波形 电流波形畸变

如果灌到电网里面去

也同样会产生同样的问题

所以也必须满足 IEC61000-3-2 这种标准

那这就是我们

刚才讲的问题所在

所以我们理解了这一点

所以什么时候我们叫 PFC

什么时候叫 Boost 升压

为什么这么叫

这个大家就非常好理解了

就非常清晰了

所以这一点我特地把这个内容讲得多一点

就是我们千万不要忘记了我们做事情的目的和本源