PFC电源设计与电感设计计算(三) — 常见PFC电路和特点(2) 3B

就有三个电位

像这个呢它只能管子只能是

要么是 0 要么 800V

所以说我们就知道

这样一来的话呢

虽然输出电压是 800V

我们这个管子上开关管所承受的电压

最高的电压是 400V

所以它把电压降了一半

就是管子的耐压能力提升了

实际上是这个意思

就是说我们选择的时候

我在这个电路里面

我实际上呢选 600 伏的管子够用了

在这个电路里面这个管子必须选 900 伏了

所以说这个管子的电压下降了

这是第一个好处

第二个好处是什么呢

因为我这个这个电感上承受的电压

这个是要承受 800 伏的升压

这个只承受 400 伏的升压

不管正面还是反面

那么所以说达到同样纹波的时候

那么它的电感量可以小一半

如果频率不变

如果频率不变它就会小一半

但是其实呢我们采用了三电平的时候

往往我们频率是变的

为什么频率是变的呢

频率可以提高

我们大功率用的时候

三电平往往都在大功率应用

都不是小功率

大功率应用呢往往会采用什么

IGBT 来做 因为它功率容易做的更大

电流更大 那 IGBT 它有个缺点是什么

他的频率开不高

但是呢如果我 IGBT 我选的比较低压的管子

那么我在同样电流的情况下

我频率肯定比高压的管子要开得高

所以说相对来讲

如果我在这个电路里面用 IGBT 管子

900 伏的管子

比如说用 60A 900V 的管子用在这个地方

那这个地方我 600V 60A

那我显然 600V 60A 的开关损耗小得多

我可以把频率提高一点

在这种情况呢我频率降低一点

比如说我这个用的 40k 能用的时候

这个地方可能用 30k 或者 20k

实际上是这样

那也就意味着我两个拓扑不一样

我同样用 IGBT

我这个频率可以开高

电感量承受的电压低

电感量又可以小一半

频率开高呢不开高的情况下可以小一半

频率开高的时候是不是电感量可以更小

所以说用这种三电平的方案

同样达到输出 800V 的情况下

这个电感量会比这个电感量小得多得多

所以说这是用三电平的非常大的优点

也就是做实现大功率的时候呢

可以做的更加的便宜更加廉价

当然了 如果是你不嫌麻烦

你可以把三电平变成交错并联

交通并联那就更牛了

那往往但是那时候呢器件会很多

你不到万不得已一般不这么做

那么这边的图形呢就是说我们就把这个

单相的把它变成三相的

因为往往三电平的时候呢

我们都是输出功率非常大

像充电桩我们一个模块 15 个千瓦

所以说一般都不会有单相

因为单相没有什么大电力给你供应过来

其实就用三相供电

那三相供电只是把这个做成三块就好了

那么它的分时驱动呢

实际上跟上面的分时一样

所以说这个呢只要我们把时序图画出来

那么这个驱动就可以很轻松的解决

那这是我们非常传统的

现在大量应用的

就是充电桩里面的三相的

我们也可以叫维也纳结构

这样道理是一模一样

那么懂得这个道理

我们设计的时候大功率的时候

用这种电路呢

我们达到这个目的

就是一个是降低成本

一个是提高效率

当然呢由于这个三电平的方案

当然呢由于这个三电平的方案

这个电压应力比较小

所以 EMI 是有改善的

也会非常的有利

即便是有快恢复效应

那这个电压高快恢复肯定厉害

那这个呢肯定会会减轻

所以说这个是

我们掌握了这些特点优点特点之后

我们就可以比较有的放矢地

去构建我们的电路结构

讲到这儿我们有一点

就是做空调的电源工程师

可能对这个方案就非常的熟悉了

这个我们叫部分开关的工作模式

一般我们不叫它为 PFC

因为它的目的呢

我们往往讲 PFC 的时候呢

一般都是指高频工作

把电压升上去

升到 380 也好 800 伏也好 400 伏也好

这种稳压的电路呢我们叫 PFC 电路

就是一般我们叫是这么叫的

在这个电路里面呢

我们只是叫部分开关方案

它有什么不一样呢

我们讲啊前面我讲过

我们所有的 PFC 电路的最重要的一个目的是什么

是解决高次谐波的问题

我们并不是要先要解决稳压和升压的问题

所以说呢我们特别是在空调应用里面

我们是需要把高次谐波解决就好了

至于稳压和升压需不需要呢

那需要的时候把它升起来

不需要的时候就不这样做

因为我们最重要的像空调里面

所必须要解决一个高次谐波的问题

那么这个方案呢其实呢是很多年前

应该是 90 年代有日本的日立的工程师发明的

那这个工程师很了不起

做了一个非常简单的这个发明

而这个发明呢到现在为止也没有被淘汰掉

已经有20多年的历史了20来年的历史了

所以说牛得不得了

那么我们怎么讲牛的不得了呢

你要看理论上其实没什么牛的 谁都会

但是实际上呢

因为它用到产品里面去

它就没有一个

到现在为止几乎还没有比它更加有竞争力的方案

我们来介绍一下

我们这个地方是一个整流桥

这些常规整流桥整流之后

全波整流变成了这个馒头波 放上去

它这个地方呢放了个低频的电抗器

就是低频的电感

所谓的低频是什么呢

你看这个图

这个是用硅钢片做的

这个缝隙里面

甚至是拿硅钢片直接焊接起来融接了

你说这个地方肯定会产生涡流损耗的

但是呢它好在哪呢

它工作的 50 赫兹它不在乎

所以它可以很简洁这样

然后里头就是把这个线圈绕在里头

硅钢片里面那中间是开气隙的

开气隙这个地方是开了气隙

这样的话达到一个电感量

既然用硅钢片做

绕了这么多圈

我们就能想象出这个电感可以做得非常大

它不容易饱和 硅钢片

所以说呢一般来讲呢可以做到多少个毫亨

大概五个毫亨或者十个毫亨或者更多

这么一个电感

而硅钢片又是非常便宜的

它工作的时候

这个 IGBT 看右边这个图

它是半个正弦波是

这个半个波里面呢它是开了两次关了两次

那有的呢甚至开一次就结束了

那有的当然会开多几次

但是不管多几次它都是很低的频率

50 Hz 来一下就是 100Hz 的

因为他是个这是半波

那么两个半波就两次

所以说如果说这个我像我现在花两个的

就等于是说是 200Hz 工作

那你想想这个电感是在 200Hz 工作的

那个高频的损耗几乎没有

根本没有高频损耗

其实这个 IGBT 是 200Hz 工作得非常低的频率

所以他没有 EMI 的问题 基本上不存在

那么这个电路呢

实际上电感的硅钢片虽然是低频的硅钢片

它只有 200Hz 工作

所以硅钢片的高频损耗也非常的小

所以说这一部分呢就相当于我们模拟电路很像

但是它做了这个东西

起到一个什么作用呢

我们的电感放在这个地方

电感放在这地方

它电压往上升的时候

我要升的时候呢这个地方电压是高的有电容

所以说电流是过不去的

它不会往里头流

那为了强制的把电流拉起来

因为要跟随这个电压跑

因为要跟随这个电压跑

要强拉起来那我就强制把它短路上

就是这地短路

所以说电压即便很低电流一定会往里头进

所以说这个时候呢

靠这个电感把它短路

充电就是给电感充电一直充

这个波形就一直往上升

充到一定高度把它关一下

关一下它就开始放电了

因为这个电压依然是不高

那么它一直关一下呢

这个电流肯定会往这里头灌进去

因为它续流

所以说呢这个二极管肯定也是工频工作的

根本不需要高频

所以说呢往里头续流了

那续流的过程中

等于这个电压呢就是反向加在这上面了

所以说这个电压呢就倒过来了

就是在电压会下降

它会掉下来一块

掉下来一块 如果觉得波形还不够理想

那我再开一次他又爬上去

因为这时候电压比较高的输入电压比较高了

所以开始那个爬升率就会快得多

所以这又爬上去 然后我又关一次

那这个是一个例子就是做了两次

那有的呢甚至一次就 OK 了

那有的呢可能会多几次

反正总之是低频的

然后呢它这个目的就是把它那个电压比较低

输入电压比这个电容电压低的这一块

把这个电流波形做的有点像正弦波

拉起来了没有这地方

像前面画的这个完全没有电流 不会这样

然后高到一定程度的时候

它就把它关掉了

关掉的时候呢它会掉下来

掉下来之后呢 后续的电压真的蛮高了

比这个电容器的电压高了

那么它自然就往里头灌电流了

所以说通过这种简单的方式

让这个电流波形呢很接近于正弦波

那接近到什么地步呢

把电感量和这个时间时序调好

跟负载有关系

跟负载都调好了之后呢

它可以做到就是这个电流波形

符合 IEC61000-3-2 的标准

就是高次谐波那高次分量比例非常的小

那么这样一个想法

这个 Idea 其实呢不是很难

但是这么一想法非常现实

它可以用低频的东西

又非常简单没有EMI的问题

而且效率又很高

没有高频损耗

它解决了这个高次谐波的问题

那它这种方式呢唯有一个缺点

某种意义上有个缺点是什么呢

就是这个电压呢肯定不是升压的

相当于整流 比如说我输入的 220 进去了

那峰值是 311

那么通过这个呢到这个地方也就 300 伏左右

也就是它不能实现升压功能

但是它可以实现把高次谐波解决掉这个功能

而且呢这种方式当然随着负载的变化

它这个肯定要调整

这个开关的时间各方面调整

那么所以说把这个电感量

和负载和输入电压

这个一一对应关系都把它对应好

那么把驱动比如做一个表进去

放在我们一个单片机里面

然后这查表就好了

输入电压多少伏我这时候要达到多少功率输出

我就查表然后这个也控制也非常简单

所以说可以做得非常棒的

一个这个高次谐波的控制器

所以说这就是一个廉价型的高次谐波的改善方案

所以说我们往往做开关电源的工程师

你的脑袋里面是想不到这种方案的

因为你想的更多的是我怎么去解决这个高频

只要 PFC 我们就想到把它升压升起来

只要一升起来就做不到这个功能

其实那么人家的工程师为什么能想到

因为他脑海里面很清楚

我要解决的是高次谐波的问题

升不升压已经不是很重要了

先解决高次谐波的问题

只要我用能解决高次谐波的问题

又做到便宜而且没有 EMI 那就是好方案

所以一旦把这个方案发明它一旦发明出来之后

所以它整整统治了我们全世界的变频空调

这个空调界的这个主流方案

到现在为止

我们买到的家用的变频空调

不管是你一匹半还是三匹五匹的

绝大部分还都是这种硅钢片的电感

你打开看只要里头是这样的硅钢片电感

一定是这样的方案

所以说那它的影响力巨大

所以说那么这个工程师呢

据我了解是因为有类似这样的贡献

所以说在日本享有了盛名

所以说我们不要老盯着

我们这个这个开关电源一定要怎么样怎么样

其实我们最重要的是要完完全全落地解决问题

解决问题做的又廉价又可靠又没有 EMI 的问题

那么这才是我们真正我们市场上需要的好方案

我想呢为什么我要把这个例子拿出来讲

就是想告诉我们

不要被我们传统的观念所固定死

我们一定要知道我们做电源的目的是什么

紧紧围绕我们的目的

用你的智力 用你的智慧

去做出的这种方案就一定是最好的最棒的方案

就有三个电位

像这个呢它只能管子只能是

要么是 0 要么 800V

所以说我们就知道

这样一来的话呢

虽然输出电压是 800V

我们这个管子上开关管所承受的电压

最高的电压是 400V

所以它把电压降了一半

就是管子的耐压能力提升了

实际上是这个意思

就是说我们选择的时候

我在这个电路里面

我实际上呢选 600 伏的管子够用了

在这个电路里面这个管子必须选 900 伏了

所以说这个管子的电压下降了

这是第一个好处

第二个好处是什么呢

因为我这个这个电感上承受的电压

这个是要承受 800 伏的升压

这个只承受 400 伏的升压

不管正面还是反面

那么所以说达到同样纹波的时候

那么它的电感量可以小一半

如果频率不变

如果频率不变它就会小一半

但是其实呢我们采用了三电平的时候

往往我们频率是变的

为什么频率是变的呢

频率可以提高

我们大功率用的时候

三电平往往都在大功率应用

都不是小功率

大功率应用呢往往会采用什么

IGBT 来做 因为它功率容易做的更大

电流更大 那 IGBT 它有个缺点是什么

他的频率开不高

但是呢如果我 IGBT 我选的比较低压的管子

那么我在同样电流的情况下

我频率肯定比高压的管子要开得高

所以说相对来讲

如果我在这个电路里面用 IGBT 管子

900 伏的管子

比如说用 60A 900V 的管子用在这个地方

那这个地方我 600V 60A

那我显然 600V 60A 的开关损耗小得多

我可以把频率提高一点

在这种情况呢我频率降低一点

比如说我这个用的 40k 能用的时候

这个地方可能用 30k 或者 20k

实际上是这样

那也就意味着我两个拓扑不一样

我同样用 IGBT

我这个频率可以开高

电感量承受的电压低

电感量又可以小一半

频率开高呢不开高的情况下可以小一半

频率开高的时候是不是电感量可以更小

所以说用这种三电平的方案

同样达到输出 800V 的情况下

这个电感量会比这个电感量小得多得多

所以说这是用三电平的非常大的优点

也就是做实现大功率的时候呢

可以做的更加的便宜更加廉价

当然了 如果是你不嫌麻烦

你可以把三电平变成交错并联

交通并联那就更牛了

那往往但是那时候呢器件会很多

你不到万不得已一般不这么做

那么这边的图形呢就是说我们就把这个

单相的把它变成三相的

因为往往三电平的时候呢

我们都是输出功率非常大

像充电桩我们一个模块 15 个千瓦

所以说一般都不会有单相

因为单相没有什么大电力给你供应过来

其实就用三相供电

那三相供电只是把这个做成三块就好了

那么它的分时驱动呢

实际上跟上面的分时一样

所以说这个呢只要我们把时序图画出来

那么这个驱动就可以很轻松的解决

那这是我们非常传统的

现在大量应用的

就是充电桩里面的三相的

我们也可以叫维也纳结构

这样道理是一模一样

那么懂得这个道理

我们设计的时候大功率的时候

用这种电路呢

我们达到这个目的

就是一个是降低成本

一个是提高效率

当然呢由于这个三电平的方案

当然呢由于这个三电平的方案

这个电压应力比较小

所以 EMI 是有改善的

也会非常的有利

即便是有快恢复效应

那这个电压高快恢复肯定厉害

那这个呢肯定会会减轻

所以说这个是

我们掌握了这些特点优点特点之后

我们就可以比较有的放矢地

去构建我们的电路结构

讲到这儿我们有一点

就是做空调的电源工程师

可能对这个方案就非常的熟悉了

这个我们叫部分开关的工作模式

一般我们不叫它为 PFC

因为它的目的呢

我们往往讲 PFC 的时候呢

一般都是指高频工作

把电压升上去

升到 380 也好 800 伏也好 400 伏也好

这种稳压的电路呢我们叫 PFC 电路

就是一般我们叫是这么叫的

在这个电路里面呢

我们只是叫部分开关方案

它有什么不一样呢

我们讲啊前面我讲过

我们所有的 PFC 电路的最重要的一个目的是什么

是解决高次谐波的问题

我们并不是要先要解决稳压和升压的问题

所以说呢我们特别是在空调应用里面

我们是需要把高次谐波解决就好了

至于稳压和升压需不需要呢

那需要的时候把它升起来

不需要的时候就不这样做

因为我们最重要的像空调里面

所必须要解决一个高次谐波的问题

那么这个方案呢其实呢是很多年前

应该是 90 年代有日本的日立的工程师发明的

那这个工程师很了不起

做了一个非常简单的这个发明

而这个发明呢到现在为止也没有被淘汰掉

已经有20多年的历史了20来年的历史了

所以说牛得不得了

那么我们怎么讲牛的不得了呢

你要看理论上其实没什么牛的 谁都会

但是实际上呢

因为它用到产品里面去

它就没有一个

到现在为止几乎还没有比它更加有竞争力的方案

我们来介绍一下

我们这个地方是一个整流桥

这些常规整流桥整流之后

全波整流变成了这个馒头波 放上去

它这个地方呢放了个低频的电抗器

就是低频的电感

所谓的低频是什么呢

你看这个图

这个是用硅钢片做的

这个缝隙里面

甚至是拿硅钢片直接焊接起来融接了

你说这个地方肯定会产生涡流损耗的

但是呢它好在哪呢

它工作的 50 赫兹它不在乎

所以它可以很简洁这样

然后里头就是把这个线圈绕在里头

硅钢片里面那中间是开气隙的

开气隙这个地方是开了气隙

这样的话达到一个电感量

既然用硅钢片做

绕了这么多圈

我们就能想象出这个电感可以做得非常大

它不容易饱和 硅钢片

所以说呢一般来讲呢可以做到多少个毫亨

大概五个毫亨或者十个毫亨或者更多

这么一个电感

而硅钢片又是非常便宜的

它工作的时候

这个 IGBT 看右边这个图

它是半个正弦波是

这个半个波里面呢它是开了两次关了两次

那有的呢甚至开一次就结束了

那有的当然会开多几次

但是不管多几次它都是很低的频率

50 Hz 来一下就是 100Hz 的

因为他是个这是半波

那么两个半波就两次

所以说如果说这个我像我现在花两个的

就等于是说是 200Hz 工作

那你想想这个电感是在 200Hz 工作的

那个高频的损耗几乎没有

根本没有高频损耗

其实这个 IGBT 是 200Hz 工作得非常低的频率

所以他没有 EMI 的问题 基本上不存在

那么这个电路呢

实际上电感的硅钢片虽然是低频的硅钢片

它只有 200Hz 工作

所以硅钢片的高频损耗也非常的小

所以说这一部分呢就相当于我们模拟电路很像

但是它做了这个东西

起到一个什么作用呢

我们的电感放在这个地方

电感放在这地方

它电压往上升的时候

我要升的时候呢这个地方电压是高的有电容

所以说电流是过不去的

它不会往里头流

那为了强制的把电流拉起来

因为要跟随这个电压跑

因为要跟随这个电压跑

要强拉起来那我就强制把它短路上

就是这地短路

所以说电压即便很低电流一定会往里头进

所以说这个时候呢

靠这个电感把它短路

充电就是给电感充电一直充

这个波形就一直往上升

充到一定高度把它关一下

关一下它就开始放电了

因为这个电压依然是不高

那么它一直关一下呢

这个电流肯定会往这里头灌进去

因为它续流

所以说呢这个二极管肯定也是工频工作的

根本不需要高频

所以说呢往里头续流了

那续流的过程中

等于这个电压呢就是反向加在这上面了

所以说这个电压呢就倒过来了

就是在电压会下降

它会掉下来一块

掉下来一块 如果觉得波形还不够理想

那我再开一次他又爬上去

因为这时候电压比较高的输入电压比较高了

所以开始那个爬升率就会快得多

所以这又爬上去 然后我又关一次

那这个是一个例子就是做了两次

那有的呢甚至一次就 OK 了

那有的呢可能会多几次

反正总之是低频的

然后呢它这个目的就是把它那个电压比较低

输入电压比这个电容电压低的这一块

把这个电流波形做的有点像正弦波

拉起来了没有这地方

像前面画的这个完全没有电流 不会这样

然后高到一定程度的时候

它就把它关掉了

关掉的时候呢它会掉下来

掉下来之后呢 后续的电压真的蛮高了

比这个电容器的电压高了

那么它自然就往里头灌电流了

所以说通过这种简单的方式

让这个电流波形呢很接近于正弦波

那接近到什么地步呢

把电感量和这个时间时序调好

跟负载有关系

跟负载都调好了之后呢

它可以做到就是这个电流波形

符合 IEC61000-3-2 的标准

就是高次谐波那高次分量比例非常的小

那么这样一个想法

这个 Idea 其实呢不是很难

但是这么一想法非常现实

它可以用低频的东西

又非常简单没有EMI的问题

而且效率又很高

没有高频损耗

它解决了这个高次谐波的问题

那它这种方式呢唯有一个缺点

某种意义上有个缺点是什么呢

就是这个电压呢肯定不是升压的

相当于整流 比如说我输入的 220 进去了

那峰值是 311

那么通过这个呢到这个地方也就 300 伏左右

也就是它不能实现升压功能

但是它可以实现把高次谐波解决掉这个功能

而且呢这种方式当然随着负载的变化

它这个肯定要调整

这个开关的时间各方面调整

那么所以说把这个电感量

和负载和输入电压

这个一一对应关系都把它对应好

那么把驱动比如做一个表进去

放在我们一个单片机里面

然后这查表就好了

输入电压多少伏我这时候要达到多少功率输出

我就查表然后这个也控制也非常简单

所以说可以做得非常棒的

一个这个高次谐波的控制器

所以说这就是一个廉价型的高次谐波的改善方案

所以说我们往往做开关电源的工程师

你的脑袋里面是想不到这种方案的

因为你想的更多的是我怎么去解决这个高频

只要 PFC 我们就想到把它升压升起来

只要一升起来就做不到这个功能

其实那么人家的工程师为什么能想到

因为他脑海里面很清楚

我要解决的是高次谐波的问题

升不升压已经不是很重要了

先解决高次谐波的问题

只要我用能解决高次谐波的问题

又做到便宜而且没有 EMI 那就是好方案

所以一旦把这个方案发明它一旦发明出来之后

所以它整整统治了我们全世界的变频空调

这个空调界的这个主流方案

到现在为止

我们买到的家用的变频空调

不管是你一匹半还是三匹五匹的

绝大部分还都是这种硅钢片的电感

你打开看只要里头是这样的硅钢片电感

一定是这样的方案

所以说那它的影响力巨大

所以说那么这个工程师呢

据我了解是因为有类似这样的贡献

所以说在日本享有了盛名

所以说我们不要老盯着

我们这个这个开关电源一定要怎么样怎么样

其实我们最重要的是要完完全全落地解决问题

解决问题做的又廉价又可靠又没有 EMI 的问题

那么这才是我们真正我们市场上需要的好方案

我想呢为什么我要把这个例子拿出来讲

就是想告诉我们

不要被我们传统的观念所固定死

我们一定要知道我们做电源的目的是什么

紧紧围绕我们的目的

用你的智力 用你的智慧

去做出的这种方案就一定是最好的最棒的方案