基于成本和效率考虑的PFC设计(三)—PFC拓扑的比较

那我要加紧点

然后接下来我们可能就想知道

就是说大家可能在一个

真正设计一个真实的 PFC 的时候

大家会比较关心的几个问题

我罗列了几点不知道大家也可以再补充

第一点可能是我觉得作为电气工程师来说

第一点非常关心的一个效率

因为效率其实就是金钱，时间也是一样

你提高了效率，我的损耗就降低

那么我们实际得到了有功就会越大

第二点的话可能性能

性能包括很多种不光是效率，我的保护功能

我的其它的一些刚才说的

PF 值的指标， THD 的指标

然后第三个我相信对家电企业来说

非常关心的可能就是成本

在满足我效率高，性能又很好的情况下

我是否能做到最便宜

如果是因为我采访过很多客户

客户跟我直接就问你这个够不够便宜

你性能再好，如果是很贵的话

一样很难做到家电里面

然后就刚才提到的 PF 值

然后我们刚才说的我们的电压范围

然后我们刚才说的我们的电压范围

电压范围包括输入的电压范围和输出的电压范围

那么对 PFC 来说

因为我们格力的东西上卖到全球去了

在中国市场可能你满足 220V 够了

那么到国外上是否还需要满足 110 更宽的范围

如果越宽的范围是否具有更具有竞争力

第三点当然是可靠性

我们都不希望做了一个东西

性能再好最后用到一半炸了

这个在客户里面我相信这个是不能被接受的

然后静态功耗，还有等等等等等

我随便想了一些，可能我觉得这些都是大家比较关心的

那么基于刚才关心的这个的话

我罗列了三个应该当前比较有代表性的 PFC 的拓扑

那么第一个就是我们最经典的一个 PFC 拓扑

就是从我刚才一开始说的，就是升压的 PFC

你可以看到这里的拓扑结构上来说

其实就是个标准的升压拓扑

电源开关续流二极管

简单的讲一下原理的话，我后面有讲

那么给大家一个大概的概念

可以看到就是经典的 PFC 的拓扑的话

一般来说，它的效率会集中在

就根据大家的设计不一样了 95 到 97 之间

那么你可以重点数得出来，我们开关元件

一个两个三个四个五个六个七个

七个这种主动元件

其中四个二极管，应该说五个二极管吧

当然这个二极管可以

我们通常会用那种碳化硅或者高性能的

那些没有反向恢复的二极管

然后一个电感一个开关，这是我们最常见的

可能应该说是占了 80% 的应用

然后这样一个拓扑，我不知道大家有没有见到过

应该我觉得也是比较流行

因为其实这个拓扑呢就是基于前面的拓扑

他想到一个，因为我们刚才

第一个概念就是效率，我们怎么能把效率做高呢

那么它就是让正半周

因为我们交流电压分正半周和负半周，正数和负数

那么正半周的输出它用这一套的升压拓扑

那么负半周用这一套的升压拓扑

那么相当于是我把器件数接近于翻倍了

器件数是接近翻倍了，但是它带来的好处是什么呢

你有没有发现，它把桥

我们所谓的桥就是这个四个二极管

它给省掉

因为你知道我们通常这个桥用的是非常慢的这种整流的二极管

那么它的损耗其实还是非常大的

特别是在大功率的应用场合下就损耗非常大

那么我把这个桥的功耗省掉以后

因为我们知道二极管的功耗是死的

就是流过的电流乘以它流过的压降了

那把桥省掉要相当于我们对效率的一个效率提高的点

所以你可以看到在这种拓扑下

我们效率通常能做到 97 到 98

但是从器件上来看可能还是有点多

那么这个拓扑叫图腾柱的无桥 PFC

你可以看到这个里面

我们简单的从拓扑上看，器件数是最少

而且貌似看上去这个控制也是最简单的

因为它这个具体怎么工作我在后面会有介绍

那么最关键的是这边还剩两个二极管

这边把这两个二极管也省掉了

所以它的效率也有了进一步提升

你可以看到它其实可能做到 98，甚至接近到 99.5

99.5 是什么概念，其实是非常高的一个效率

我们原来也做过一个专利拓扑的

一个就是你们用的很复杂的

什么无桥啊，interleave 然后软开关全部集成进来

基本上有可能做到 99.3

它这个就是如果你用这个拓扑的话

最高经过优化就是做到 99.5

所以我觉得还是非常有吸引力的

而且它的器件数是非常少

那么我们再简单的过一下刚才说的拓扑

第一个拓扑，我们刚看到

最大的优势就是拓扑简单器件少

成本肯定是最便宜的，而且控制也很简单

控一个开关管就可以，其它的都都是不控

但是它的最大的问题一个是在于前面的桥的损耗

第二个就刚才提到的就是这边续流二极管的反向恢复

那么什么叫反向恢复呢

就是说因为我们这个拓扑的工作基本原理就是

开关管导通，输入对电感充能

或者换句话说，电感储能

开关管关断，那么我们的输入叠加在电感上

一起上到上门

上门的时候，我会然后把输出电压抬高

这是我们最最经典的拓扑的原理

那么我们再进到下一个周期这个要导通的瞬间

你会看到，因为这里管的导通

电源电压就会被拉到地就接近到零

那么这点就是这是电容上的电压，所以维持在 400伏

那么所谓的反向恢复

就是我们二极管并不能在我一关断的瞬间就能马上截止

它还会有一部分电流流过来

换句话说会让这边的电压浮动冲高

带来的问题就会让我这一点产生很大的电流

产生了很大的公共电流

这些电流会产生很大的损耗，严重的会损坏这个管

所以说现在在很多这种

单向的这种 boost PFC 会把这个管子换成碳化硅二极管

那么，这个二极管碳化硅二极管好是好

它没有反应恢复，但是非常贵

这也是当前的设计中的一个矛盾

然后刚才也提到了，就是这个我就快速过

因为它可能两个输入的这个二极管吧

它的效率比刚才的经典的效率有进一步的提高

但是由于它的正半周负半周都分别通过了两套电路

那么对这个电路的利用率来说

相对于成本的利用率来说比较低的

所以说它可能是一个折中的一个特性啊

当然也有很多人会用这种拓扑，在集成路之前

其实有很多人在用这种设计来提高我们的效率

那我要加紧点

然后接下来我们可能就想知道

就是说大家可能在一个

真正设计一个真实的 PFC 的时候

大家会比较关心的几个问题

我罗列了几点不知道大家也可以再补充

第一点可能是我觉得作为电气工程师来说

第一点非常关心的一个效率

因为效率其实就是金钱，时间也是一样

你提高了效率，我的损耗就降低

那么我们实际得到了有功就会越大

第二点的话可能性能

性能包括很多种不光是效率，我的保护功能

我的其它的一些刚才说的

PF 值的指标， THD 的指标

然后第三个我相信对家电企业来说

非常关心的可能就是成本

在满足我效率高，性能又很好的情况下

我是否能做到最便宜

如果是因为我采访过很多客户

客户跟我直接就问你这个够不够便宜

你性能再好，如果是很贵的话

一样很难做到家电里面

然后就刚才提到的 PF 值

然后我们刚才说的我们的电压范围

然后我们刚才说的我们的电压范围

电压范围包括输入的电压范围和输出的电压范围

那么对 PFC 来说

因为我们格力的东西上卖到全球去了

在中国市场可能你满足 220V 够了

那么到国外上是否还需要满足 110 更宽的范围

如果越宽的范围是否具有更具有竞争力

第三点当然是可靠性

我们都不希望做了一个东西

性能再好最后用到一半炸了

这个在客户里面我相信这个是不能被接受的

然后静态功耗，还有等等等等等

我随便想了一些，可能我觉得这些都是大家比较关心的

那么基于刚才关心的这个的话

我罗列了三个应该当前比较有代表性的 PFC 的拓扑

那么第一个就是我们最经典的一个 PFC 拓扑

就是从我刚才一开始说的，就是升压的 PFC

你可以看到这里的拓扑结构上来说

其实就是个标准的升压拓扑

电源开关续流二极管

简单的讲一下原理的话，我后面有讲

那么给大家一个大概的概念

可以看到就是经典的 PFC 的拓扑的话

一般来说，它的效率会集中在

就根据大家的设计不一样了 95 到 97 之间

那么你可以重点数得出来，我们开关元件

一个两个三个四个五个六个七个

七个这种主动元件

其中四个二极管，应该说五个二极管吧

当然这个二极管可以

我们通常会用那种碳化硅或者高性能的

那些没有反向恢复的二极管

然后一个电感一个开关，这是我们最常见的

可能应该说是占了 80% 的应用

然后这样一个拓扑，我不知道大家有没有见到过

应该我觉得也是比较流行

因为其实这个拓扑呢就是基于前面的拓扑

他想到一个，因为我们刚才

第一个概念就是效率，我们怎么能把效率做高呢

那么它就是让正半周

因为我们交流电压分正半周和负半周，正数和负数

那么正半周的输出它用这一套的升压拓扑

那么负半周用这一套的升压拓扑

那么相当于是我把器件数接近于翻倍了

器件数是接近翻倍了，但是它带来的好处是什么呢

你有没有发现，它把桥

我们所谓的桥就是这个四个二极管

它给省掉

因为你知道我们通常这个桥用的是非常慢的这种整流的二极管

那么它的损耗其实还是非常大的

特别是在大功率的应用场合下就损耗非常大

那么我把这个桥的功耗省掉以后

因为我们知道二极管的功耗是死的

就是流过的电流乘以它流过的压降了

那把桥省掉要相当于我们对效率的一个效率提高的点

所以你可以看到在这种拓扑下

我们效率通常能做到 97 到 98

但是从器件上来看可能还是有点多

那么这个拓扑叫图腾柱的无桥 PFC

你可以看到这个里面

我们简单的从拓扑上看，器件数是最少

而且貌似看上去这个控制也是最简单的

因为它这个具体怎么工作我在后面会有介绍

那么最关键的是这边还剩两个二极管

这边把这两个二极管也省掉了

所以它的效率也有了进一步提升

你可以看到它其实可能做到 98，甚至接近到 99.5

99.5 是什么概念，其实是非常高的一个效率

我们原来也做过一个专利拓扑的

一个就是你们用的很复杂的

什么无桥啊，interleave 然后软开关全部集成进来

基本上有可能做到 99.3

它这个就是如果你用这个拓扑的话

最高经过优化就是做到 99.5

所以我觉得还是非常有吸引力的

而且它的器件数是非常少

那么我们再简单的过一下刚才说的拓扑

第一个拓扑，我们刚看到

最大的优势就是拓扑简单器件少

成本肯定是最便宜的，而且控制也很简单

控一个开关管就可以，其它的都都是不控

但是它的最大的问题一个是在于前面的桥的损耗

第二个就刚才提到的就是这边续流二极管的反向恢复

那么什么叫反向恢复呢

就是说因为我们这个拓扑的工作基本原理就是

开关管导通，输入对电感充能

或者换句话说，电感储能

开关管关断，那么我们的输入叠加在电感上

一起上到上门

上门的时候，我会然后把输出电压抬高

这是我们最最经典的拓扑的原理

那么我们再进到下一个周期这个要导通的瞬间

你会看到，因为这里管的导通

电源电压就会被拉到地就接近到零

那么这点就是这是电容上的电压，所以维持在 400伏

那么所谓的反向恢复

就是我们二极管并不能在我一关断的瞬间就能马上截止

它还会有一部分电流流过来

换句话说会让这边的电压浮动冲高

带来的问题就会让我这一点产生很大的电流

产生了很大的公共电流

这些电流会产生很大的损耗，严重的会损坏这个管

所以说现在在很多这种

单向的这种 boost PFC 会把这个管子换成碳化硅二极管

那么，这个二极管碳化硅二极管好是好

它没有反应恢复，但是非常贵

这也是当前的设计中的一个矛盾

然后刚才也提到了，就是这个我就快速过

因为它可能两个输入的这个二极管吧

它的效率比刚才的经典的效率有进一步的提高

但是由于它的正半周负半周都分别通过了两套电路

那么对这个电路的利用率来说

相对于成本的利用率来说比较低的

所以说它可能是一个折中的一个特性啊

当然也有很多人会用这种拓扑，在集成路之前

其实有很多人在用这种设计来提高我们的效率