基于成本和效率考虑的PFC设计(五)—PFC设计实例讲解

最后给大家看一个我们一个设计实例

这是我们可能这次已经

刚刚发布的一个新的一个 design

就是你可以看到我们的峰值效率

是接近在在最高输入电压的时候能够接近到 98.5

然后的话因为高效就意味着我们的低损耗

低损耗，就意味着

我们可以用更小的散热片去处理这个处理散热

第二点的话

因为我们采用的是一个八脚的一个 PFC 的控制芯片

实际它的，所以说它的外围器件非常少

对整个的成本来说也是非常小

而且我觉得需要特别重点推荐

就是说因为它我们刚才也提到

因为我们这个拓扑二极管的这个反向恢复很重要

所以很多经常会采用一个碳化硅来解决

那么这样无形中会带来成本的压力

那么在我们设计中，我们其实是用了两个超快的一个管子

那么取得这样一个效率点，我觉得还是较有竞争优势

然后由于第三点的话，就是我们整体的尺寸也不大

整体尺寸也不大，我觉得这比较重要

然后这是一些详细的数据

就是说我们输入电压可以支持 85 到 270 V

然后但是你要如果满载输出的话，190 到 270V

那么在低于 190 的时候，你要做功率降额就可以了

那么我们的输出方式就是两种

一种就是固定输出，也是我们最常用的一种输出方式

那么 90V 或者你自己通过一些反馈的更改

设置成你自己想要的输出电压

那么还有一种方式就是我们刚才说到的 Boost Follower

让我的输出电压跟随着我的输入电压变化而变化

我的输入电压低，我的输出电压也低

这样子会进一步的得到更高的效率

然后我们整个系统的开发成本是在 45K

整个的输出功率能达到将近3.5千瓦

这个是我们的一个原理图

然后你可以看到

其实我们整个主控芯片就是八脚的芯片就非常小

然后这个的话只用一颗驱动

去驱动了两个并联的 IGBT 或者 MOSFET

这个是我们板子的尺寸

你可以看到这边是我们的交流输入

这边是我们 EMC 的滤波元件，两级滤波

然后最大的区别可能跟大家先看到的话

可能在这一块就是说之前可能是

外包了非常大的那种硅钢材料的一个 PFC 电感

那么我们现在是用铁硅铝的材质把这个体积做得很小

使它能够放在板上变成了可能，然后这个就是输出

然后这是一些我们的测试数据

那么我们就直接翻到这一页看

就是我们效率也可以看到三种颜色，代表了三种不同的输入电压

当然最高的效率可能是出现在最高的途径

因为它的压差最小

那么你可以看到在 270V 输入的时候

我们的效率在最高点接近 98.6

这张图是我们对比了 IGBT 和 MOSFET 的区别

因为在家电里面我知道

目前的主流应用 IGBT 可能会多一些

那么为了但是我们也知道

IGBT 的损耗相比 MOSFET 会高一些

那么你可以看到，其实我们也做了一个对比测试

我发现在我们这个设计过程中

如果你采用 IGBT 替代 MOSFET 的话

效率点损失也不会太高

这个是在 230V 的时候输入的一个情况下做一个测试

你看到基本上的损失在 0.3% 左右

我觉得应该也是在一个可接受

如果对成本是有帮助的话

我觉得应该也是一个可接受的范围

然后你可以看到这一页是关于 PF 值

在 500W 以上，基本上 PF 值已经接近于 1 了

我们的底线是1.05 非常低

那么 THD 也是一样，我们在 100/3 以上

基本上你可以看看到，基本上是在 5% 以下

这些都是符合我们一个标准

然后这个是我们刚才说的 Boost Follower 这个功能

对我们 PFC 效率带来的一些影响

你可以看到，因为在高输入电压的时候

因为我们 Boost Follower 跟固定型就接近

因为它本身就已经非常接近了

Boost Follower 在高压输入的时候

其实就等同于固定输出了

那么但是在低压输入的时候

你会看到效率还是会有 0.1% 到 0.2% 的一个区别

所以说这个功能我觉得应该也是非常有用的一个功能

负载调整率和这个待机功耗

我觉得正常吧你说特别优势也没有

但是我觉得应该也是这个标准范围之内

然后你可以看一下这个启动和关断的波形

因为这就是我们一开始最早讲的

如果我们不带 PFC 时，你可以完全理解到

你可以看到它的电流峰值非常高

基本上要等于我们正常工作时候的三倍

这个地方就大约相当于我们的 PFC 已经正常开始工作起来

你看到输出电压可以升上去

我们的输入电流马上就降下来了

这个而且这后面一张展开图

可以看到是接近于正弦

然后的话，这个也是我们启动刚才那张图的一个展开

然后的话您可以看到这个红色的这个线呢

是我们的输入电压的波形

那绿色的线就是输入电流

在启动的一瞬间，很快我们的波形的相位和幅值

都已经跟上了我们的电压

相当于跟上我们的参考

然后的话这些我们冲击电流

这个当然是空载的时候体积的一个冲击电流

你也看到，我们一格是十安培

所以说哪怕在 270V 输入的时候

我们冲击电流也在 15 A 以内

我觉得这个效果还是比较好

这个就是我们 PFC 主要要实现的目的

电流跟踪电压

完全同相位啊同波形

可以看到 270 V 的时候也都是一模一样

这个就是我们的纹波，刚才我们中间有页里也提到了

这个电容的设计可能会直接和这个相关

你看到纹波在我们满载的情况下

纹波大概在 17V 左右，这还是比较小

这张图其实就是我们的 MOSFET 的一个开关波形

绿色的是电感电流波形

这个红色的是我们刚才管子的 VDS 两端的波形

因为我们刚才说的我们那个设计里面是用的两个管子并联

那么既然并联的话，那么一致性是非常重要

一旦如果说一个管子先开另一个管子后开

或者不同相的话

很容易带来的问题就是

一路负载会过流，然后整个系统的那个失效

那么你看到这里面是完全同时开同时关

那么这张图其实展开来告诉你

这个是我们的驱动上的波形，这个是 VDS 波形

展开来看，基本上是同一个时间开同一时间关

主要想传递的这个信息

然后这个是我们用 IGBT 替代 MOSFET 的时候

对电源做了一个测试

这个是开通时候的波形

这个时间其实已经拉得非常开了

已经到了 200ns 一格

关断的时候你可以看到基本上

同时关同时降到为0，所以它们的一次性做得非常好

最后一点的话，你可以看到就是我们的一个瞬态

因为瞬态除了我们刚才那些稳态的设计以外

非常关键的就是我们的瞬态

瞬态的话你看看，就是相当于是我把满载切空载

空载切满载

你可以看到我的母线电压的变化

这个基本上跌落在 40V ，超调在 25V

是在我们合理的设计范围之内

是在我们合理的设计范围之内

最后这一页就是说是我们整个板子的一个做测试的模型

那么需要强调一就是

我们这个测试的结果是在没有

带了散热片，但是没有带风扇的情况下

一个密闭环境中，稳态运行半个小时左右以后

红热成像仪排的一张照片

最热的点就集中在我们那个桥堆上

其它的你可以看到，电感几乎是没有什么温度

都是二十几度，几乎接近于室温

整个损耗控制的还是非常理想

最后给大家一个简单的概念吧

就是我们做的一个对比测试

我们和一家现在已经在用的一个方案

做了一个对比是什么呢

就是因为他们在现场的测试环境非常有限

就是说没有很详细的功率分析仪

也没有一些示波器可以抓住波形

那么我们就只能把空调系统里面把它定转速

把压缩机定转速

然后把整个系统的参数做成一样的时候

先用叠加的方案做了一个

比较一下输入功率是多少

然后再记录把我们的板子放上去以后记录这个输入功率

因为我们把转速定下来以后，相当于我们的损耗

就是功率基本上就是控制

可以近似认为是一致的

那么我们的输入功率越小的话

那么就意味着我们的效率就越高

其实你可以看到自己的效率点的差异还是非常明显

这个只是给大家一个概念不是一个很详细的测试

但是我觉得这个差值应该很明显的能说明一些问题

我最后想说的就是说

电源设计本身是一个相互妥协的过程

所以我们刚才也说没有最好的电源

只有最合适的电源

那么希望各位今后的设计过程中

能通过这些知识体现出电源工程师的一个价值

设计出最合适的电源，谢谢大家

最后给大家看一个我们一个设计实例

这是我们可能这次已经

刚刚发布的一个新的一个 design

就是你可以看到我们的峰值效率

是接近在在最高输入电压的时候能够接近到 98.5

然后的话因为高效就意味着我们的低损耗

低损耗，就意味着

我们可以用更小的散热片去处理这个处理散热

第二点的话

因为我们采用的是一个八脚的一个 PFC 的控制芯片

实际它的，所以说它的外围器件非常少

对整个的成本来说也是非常小

而且我觉得需要特别重点推荐

就是说因为它我们刚才也提到

因为我们这个拓扑二极管的这个反向恢复很重要

所以很多经常会采用一个碳化硅来解决

那么这样无形中会带来成本的压力

那么在我们设计中，我们其实是用了两个超快的一个管子

那么取得这样一个效率点，我觉得还是较有竞争优势

然后由于第三点的话，就是我们整体的尺寸也不大

整体尺寸也不大，我觉得这比较重要

然后这是一些详细的数据

就是说我们输入电压可以支持 85 到 270 V

然后但是你要如果满载输出的话，190 到 270V

那么在低于 190 的时候，你要做功率降额就可以了

那么我们的输出方式就是两种

一种就是固定输出，也是我们最常用的一种输出方式

那么 90V 或者你自己通过一些反馈的更改

设置成你自己想要的输出电压

那么还有一种方式就是我们刚才说到的 Boost Follower

让我的输出电压跟随着我的输入电压变化而变化

我的输入电压低，我的输出电压也低

这样子会进一步的得到更高的效率

然后我们整个系统的开发成本是在 45K

整个的输出功率能达到将近3.5千瓦

这个是我们的一个原理图

然后你可以看到

其实我们整个主控芯片就是八脚的芯片就非常小

然后这个的话只用一颗驱动

去驱动了两个并联的 IGBT 或者 MOSFET

这个是我们板子的尺寸

你可以看到这边是我们的交流输入

这边是我们 EMC 的滤波元件，两级滤波

然后最大的区别可能跟大家先看到的话

可能在这一块就是说之前可能是

外包了非常大的那种硅钢材料的一个 PFC 电感

那么我们现在是用铁硅铝的材质把这个体积做得很小

使它能够放在板上变成了可能，然后这个就是输出

然后这是一些我们的测试数据

那么我们就直接翻到这一页看

就是我们效率也可以看到三种颜色，代表了三种不同的输入电压

当然最高的效率可能是出现在最高的途径

因为它的压差最小

那么你可以看到在 270V 输入的时候

我们的效率在最高点接近 98.6

这张图是我们对比了 IGBT 和 MOSFET 的区别

因为在家电里面我知道

目前的主流应用 IGBT 可能会多一些

那么为了但是我们也知道

IGBT 的损耗相比 MOSFET 会高一些

那么你可以看到，其实我们也做了一个对比测试

我发现在我们这个设计过程中

如果你采用 IGBT 替代 MOSFET 的话

效率点损失也不会太高

这个是在 230V 的时候输入的一个情况下做一个测试

你看到基本上的损失在 0.3% 左右

我觉得应该也是在一个可接受

如果对成本是有帮助的话

我觉得应该也是一个可接受的范围

然后你可以看到这一页是关于 PF 值

在 500W 以上，基本上 PF 值已经接近于 1 了

我们的底线是1.05 非常低

那么 THD 也是一样，我们在 100/3 以上

基本上你可以看看到，基本上是在 5% 以下

这些都是符合我们一个标准

然后这个是我们刚才说的 Boost Follower 这个功能

对我们 PFC 效率带来的一些影响

你可以看到，因为在高输入电压的时候

因为我们 Boost Follower 跟固定型就接近

因为它本身就已经非常接近了

Boost Follower 在高压输入的时候

其实就等同于固定输出了

那么但是在低压输入的时候

你会看到效率还是会有 0.1% 到 0.2% 的一个区别

所以说这个功能我觉得应该也是非常有用的一个功能

负载调整率和这个待机功耗

我觉得正常吧你说特别优势也没有

但是我觉得应该也是这个标准范围之内

然后你可以看一下这个启动和关断的波形

因为这就是我们一开始最早讲的

如果我们不带 PFC 时，你可以完全理解到

你可以看到它的电流峰值非常高

基本上要等于我们正常工作时候的三倍

这个地方就大约相当于我们的 PFC 已经正常开始工作起来

你看到输出电压可以升上去

我们的输入电流马上就降下来了

这个而且这后面一张展开图

可以看到是接近于正弦

然后的话，这个也是我们启动刚才那张图的一个展开

然后的话您可以看到这个红色的这个线呢

是我们的输入电压的波形

那绿色的线就是输入电流

在启动的一瞬间，很快我们的波形的相位和幅值

都已经跟上了我们的电压

相当于跟上我们的参考

然后的话这些我们冲击电流

这个当然是空载的时候体积的一个冲击电流

你也看到，我们一格是十安培

所以说哪怕在 270V 输入的时候

我们冲击电流也在 15 A 以内

我觉得这个效果还是比较好

这个就是我们 PFC 主要要实现的目的

电流跟踪电压

完全同相位啊同波形

可以看到 270 V 的时候也都是一模一样

这个就是我们的纹波，刚才我们中间有页里也提到了

这个电容的设计可能会直接和这个相关

你看到纹波在我们满载的情况下

纹波大概在 17V 左右，这还是比较小

这张图其实就是我们的 MOSFET 的一个开关波形

绿色的是电感电流波形

这个红色的是我们刚才管子的 VDS 两端的波形

因为我们刚才说的我们那个设计里面是用的两个管子并联

那么既然并联的话，那么一致性是非常重要

一旦如果说一个管子先开另一个管子后开

或者不同相的话

很容易带来的问题就是

一路负载会过流，然后整个系统的那个失效

那么你看到这里面是完全同时开同时关

那么这张图其实展开来告诉你

这个是我们的驱动上的波形，这个是 VDS 波形

展开来看，基本上是同一个时间开同一时间关

主要想传递的这个信息

然后这个是我们用 IGBT 替代 MOSFET 的时候

对电源做了一个测试

这个是开通时候的波形

这个时间其实已经拉得非常开了

已经到了 200ns 一格

关断的时候你可以看到基本上

同时关同时降到为0，所以它们的一次性做得非常好

最后一点的话，你可以看到就是我们的一个瞬态

因为瞬态除了我们刚才那些稳态的设计以外

非常关键的就是我们的瞬态

瞬态的话你看看，就是相当于是我把满载切空载

空载切满载

你可以看到我的母线电压的变化

这个基本上跌落在 40V ，超调在 25V

是在我们合理的设计范围之内

是在我们合理的设计范围之内

最后这一页就是说是我们整个板子的一个做测试的模型

那么需要强调一就是

我们这个测试的结果是在没有

带了散热片，但是没有带风扇的情况下

一个密闭环境中，稳态运行半个小时左右以后

红热成像仪排的一张照片

最热的点就集中在我们那个桥堆上

其它的你可以看到，电感几乎是没有什么温度

都是二十几度，几乎接近于室温

整个损耗控制的还是非常理想

最后给大家一个简单的概念吧

就是我们做的一个对比测试

我们和一家现在已经在用的一个方案

做了一个对比是什么呢

就是因为他们在现场的测试环境非常有限

就是说没有很详细的功率分析仪

也没有一些示波器可以抓住波形

那么我们就只能把空调系统里面把它定转速

把压缩机定转速

然后把整个系统的参数做成一样的时候

先用叠加的方案做了一个

比较一下输入功率是多少

然后再记录把我们的板子放上去以后记录这个输入功率

因为我们把转速定下来以后，相当于我们的损耗

就是功率基本上就是控制

可以近似认为是一致的

那么我们的输入功率越小的话

那么就意味着我们的效率就越高

其实你可以看到自己的效率点的差异还是非常明显

这个只是给大家一个概念不是一个很详细的测试

但是我觉得这个差值应该很明显的能说明一些问题

我最后想说的就是说

电源设计本身是一个相互妥协的过程

所以我们刚才也说没有最好的电源

只有最合适的电源

那么希望各位今后的设计过程中

能通过这些知识体现出电源工程师的一个价值

设计出最合适的电源，谢谢大家