PFC电源设计与电感设计计算(二) — 常见PFC电路和特点(2)

OK 我们再来看这幅画面

这个画面呢我们是要对这个

CCM 和 CRM 进行比较

那么这个我们首先看到

左边这个图是吧

这个波形图我们叫连续电流控制模式

就是导通模式

那么右边呢是临界的导通模式

我们 PFC 电路里面呢

其实基本上都是这两种模式

那么这两种模式呢

实际上它的控制的原理是完全不同的

我们先看左边这个图

底下呢是一个示意图

并不是真的是这样的

这底下这个表是代表一个驱动波形

那么实际上我们关注的并不是这个波形

而是这个电流波形

也就是说我们工作的时候呢

从低的电压就是正弦波进来

电压就一直往上上升

这个蓝颜色表示电压的正弦波电压

那么这个锯齿波是表示我们电感里面

就是这个电感里面跑的电流波形

所以他基本上控制原理是这样

就是说在控制一定的这个纹波的幅值

不是很大的情况下

然后呢也沿着这个正弦波的规律

就是把它的有效值或者平均值做出来之后

那么相当于这个平均值或者有效值呢

就是跟我们电压的波形完全一样同步的跟踪的

那这种原理从这个图上来看呢

为什么叫连续的呢

就是说你看这个电流掉下来的时候

他不会为零是吧 都是直流上面加一个纹波

那么这种情况我们叫连续

那么临界的呢就是右边这个图

基本上电感的电流波形就是像这个爬升起来

基本上电感的电流波形就是像这个爬升起来

然后呢关闭了掉下来

所以说呢掉呢一定要掉到底掉到零的时候

就调到零的时候呢

然后他马上又开始下一个脉冲

就是开通了那么始终处于

这种刚好一到零就回来这种模式呢

一直处于这种模式

那这个模式当然就是临界了

就是处于连续和不连续的临界点上

那么当这个 PFC 始终工作在这种状态

我们叫连续电流模型控制

那么这两种呢是有本质的区别的

本质区别是什么呢

左边的呢我们往往是做一个固定频率的控制

右边的呢是变频控制的

也就是说因为它电感量我们如果固定不变

那么电压在变的时候呢

是爬升的这个电流在变 包括时间在变

那么让它一定要掉到底的时候

实际上掉到底的这个时间也在变

所以说呢随着我们不同的输入输出电压的时候

那么这个频率是一直在变

就是一个正弦波的半波里面

实际上每一个时刻那个脉冲都是宽度是不一样的

就是这个周期都不一样

那么让他始终处于这种状态

那么永远处于这种状态

我们叫 CRM 这种状态就是临界模式

那固定频率呢就跟这个这个地方写了

是 CCM+DCM 或者 CRM+DCM

那么或者它都合在一起都有

什么意思呢像这个

我们这个电流大的时候它是连续的

那么这个地方电流小的时候它会掉到地的

掉到地的话刚掉到地呢是属于这种状态

那么再下去的话它就是不连续了

所以说固定频率它存在这个

连续模式和临界模式和 DCM 这种状态

那么 CRM 呢严格的意义上来讲

就是纯粹的这个临界模式

当然有时候我们也会有一些个别的情况下

就是说频率把它并没有跟踪那么快

那么底下呢就会有一段不连续的区域

所以这种情况呢会混合成 CRM+DCM

就是这两种不同的控制方式

那么我一会会讲

讲到这个计算的时候会去讲

这个两个控制的不一样

那么为什么他能做我们 PFC

或者是高次谐波的这个控制

那么刚才讲到这个 PFC 的问题呢

其实我们叫习惯了就是功率因素修正

Power Factor Correct

那么其实呢我们讲的是功率因数修正

这个呢是我的理解是有点不一样的

因为功率因数我们讲 PF 为一对吧

或者是接近于为一

PF 大那高次谐波是不是一定是小呢

那总的高次谐波肯定是小

但是呢对于某一个次数的高次谐波

它不一定是小

所以说我们真正的控制

我们叫是叫 PFC 这种说法

实际上我真正的目的

还是前面讲的要把高次谐波控制到手

每一个高次谐波所控制到我们

能满足 IEC61000-3-2 这个标准的要求

所以这一点大家注意一下

那么特点是这么个特点

所以说我们讲它的影响影响是什么呢

比如说我们做这个 CCM+DCM 这种模式

或者是我们就叫 CCM 这种模式

那么它 PFC 电感就在这个地方

他工作的时候呢

它的纹波呢是在一定的小的范围之内

并不是所有的都是纹波

那么对于 CRM 呢就是所有的都是纹波

所以说对电感这个设计的时候或者选取的时候

你就会发现

在这种情况下要控制我们

当然要控制纹波的含量

那么一个很大的电流情况下

这个电流变化率变化的这个峰峰值很小

那就是什么是我们这个电感量

一定要选得比较大

所以说我们做连续模型 CCM 的时候呢

你用的电感量实际上都是要比较大的

要不然这个纹波就显得非常的大

那么在这种情况下呢

其实还有一个快恢复二极管的问题

快速二极管问题是什么

就在这个地方二极管

那么为什么讲是快恢复二极管呢

其实我们从这个波形可以看到

当它导通的时候

就是这个管子导通的时候

实际上是我们把这个电压

强行的加在了这个 PFC 在电感上

那么这地方是对地短路的

那么加上去之后呢

它在那一瞬间就是从某一个电流的

小的电流值开始电流往上爬

爬到最高的时候呢

我们认为这个对电感里面储能够了

所以说就把这个管子关闭

关闭的那一瞬间

其实它的电流是达到这个三角波的顶点

就是这三角波顶点达到顶点的时候呢

突然关闭了

关闭了我们电感里面是有电流在跑的

所以电感的电流我们知道是它是连续的

它不会跳变对不对

那连续的就意味着什么呢

它一定要往外流

那既然这边流不过去

它会强行往这边流

往二极管往这边流

所以说呢这个时候二极管被强制导通

哪怕是外面的电压比这边的高

就是说我们关闭的时候是零嘛

这电压然后那一瞬间可能会升上来

那最终是要想导通

导通是什么意思呢 就是 Vf 为零

理想的时候 Vf 为零

也就是这边电压等于这边电压等于输出电压

所以说呢就是关闭那一瞬间

这个电感的这一头的电压

会瞬间由于它续流的作用

瞬间把电压抬起来

抬到了跟这边输出电压一样

所以说这是它的一个工作过程

那么一直这个电压

输入电压肯定是比输出电压低了这种情况下

那么它一直给她往这边流电流

实际上是给电容充电或者往负载放电

然后放到一定程度呢

因为电压实际上

是加在这个电感两端电压等于这边高

右边的高左边低那么这个时候呢

这个电感呢实际上加了一个反电压加在上面

所以说电流呢虽然是往一直往右边流

它实际上是逐步在下降

反过来电压 是一直在下降

那降到一定程度

比如说在这个地方

降到这个地方

认为这个能量放的差不多了

所以这个时候呢要把这个管子再次打通

大家注意这个问题

那么她刚才是二极管

一直往这边电流续流是吧

虽然电流很小但是它不是零了在这个地方嘛

不是零也就意味着电流很小

还是往这流的 往这流的过程中

这个 Vf 当然是通的是吧

那么一瞬间这个管子直接对地短路了

那这样一短路出现什么问题

这个电压马上掉零了对不对

那这个还是 400V 是吧

也就是二极管马上来一个反压

但是在反压之前

其实二极管是正向流的

它会需要形成一个反向的电流

就是很大的一个电流反过来流

才能形成这种绝缘层的

所以说那一瞬间呢快恢复的效应

就是一下子就把它恢复了

恢复到这个隔离这种状态

就是两个不导电的状态

那么否则的话电流就会往下灌

所以说它通过一个很大的电流

往这边流的时候呢

那么形成了这个很高的一个绝缘

那么二极管就截止了那这个过程呢

是瞬间大电流往外灌的这个过程呢

是对我们整个的工作非常不利

它会形成什么 形成 EMI 的问题

就是瞬间的 dI/dt 非常大

当然呢这个管子的发热也非常大

所以说我们要用比较好的快恢复的二极管

来做这个地方

所以说这个是我们连续电流模型的

一个非常重要的特点

那么如果说我们临界的那就不存在这问题

为什么呢临界的电流

我刚才讲了一定要到零

也就是说电感的电流往下降

降到了零什么意思

就是这个 Vf 没有电流往上流了

没有电流流的时候那它就是半导体

没导通是不是

那么这个时候呢

底下他实际上没有这个

那个大量的这个电子的

那么也就是说它降到零的时候

这两端是没有电压的

没有电压那么也就是说

没有大电流往下流的时候

实际上它就不会积累了很多的电荷在地方

那么它这地方它自然是截止状态

就是这个二极管是个截止状态

所以截止状态的时候

这边对地短路反过来加高压

实际上这个部分呢

反过来反抽的电流就非常的小

所以它就结果呢导致

这个二极管的快恢复的要求并不高

而且没有很大的 dI/dt 的时候呢

EMI 也会好 二极管的损耗也比较小

所以这是临界模式或者不连续模式的优点

所以这个呢非常重要

这一点啊是希望大家能理解

如果不理解的话

我们去看一下二极管的这个基本的原理

那有的工程师会讲

我现在我用的是碳化硅二极管

不是你讲的那个少数载流子

我是多数载流子

不存在这种效应问题

就是没有快恢复效应

那么是不是会就会非常棒呢

就会解决这个问题呢

其实呢是当然会好一些

但是这个问题依然存在

为什么这么讲呢

其实我们就算是没有 SiC 碳化硅

就是没有这快恢复效应

其实呢这个二极管它是一个结电容

在这的 蛮大的一个结电容

有的是几十皮甚至上百皮的那个电容

相当于并在这两端

那并在这两端你要知道

如果我把这个电容实际上是

导通的时候为零

那么这个一短路的时候

等于瞬间给它这个电容充电

所以反过来从这个输出电压

给它这个二极管的电容充电的时候呢

那么实际上对地短路

那么实际上对地短路

这个反过来充电电流也非常厉害

那么虽然二极管这时候形成的损耗并不大

没有快恢复的那个过程

所以损耗并不大

但是它依然会存在很大的 EMI 的问题

就是说很高 dI/dt 的变化

所以在这个回路里面会产生高频的震荡

所以这是即便用碳化硅它能改善

但是也不可能是消除这种影响

所以这是连续模式一个非常不好的一个特点

OK 我们再来看这幅画面

这个画面呢我们是要对这个

CCM 和 CRM 进行比较

那么这个我们首先看到

左边这个图是吧

这个波形图我们叫连续电流控制模式

就是导通模式

那么右边呢是临界的导通模式

我们 PFC 电路里面呢

其实基本上都是这两种模式

那么这两种模式呢

实际上它的控制的原理是完全不同的

我们先看左边这个图

底下呢是一个示意图

并不是真的是这样的

这底下这个表是代表一个驱动波形

那么实际上我们关注的并不是这个波形

而是这个电流波形

也就是说我们工作的时候呢

从低的电压就是正弦波进来

电压就一直往上上升

这个蓝颜色表示电压的正弦波电压

那么这个锯齿波是表示我们电感里面

就是这个电感里面跑的电流波形

所以他基本上控制原理是这样

就是说在控制一定的这个纹波的幅值

不是很大的情况下

然后呢也沿着这个正弦波的规律

就是把它的有效值或者平均值做出来之后

那么相当于这个平均值或者有效值呢

就是跟我们电压的波形完全一样同步的跟踪的

那这种原理从这个图上来看呢

为什么叫连续的呢

就是说你看这个电流掉下来的时候

他不会为零是吧 都是直流上面加一个纹波

那么这种情况我们叫连续

那么临界的呢就是右边这个图

基本上电感的电流波形就是像这个爬升起来

基本上电感的电流波形就是像这个爬升起来

然后呢关闭了掉下来

所以说呢掉呢一定要掉到底掉到零的时候

就调到零的时候呢

然后他马上又开始下一个脉冲

就是开通了那么始终处于

这种刚好一到零就回来这种模式呢

一直处于这种模式

那这个模式当然就是临界了

就是处于连续和不连续的临界点上

那么当这个 PFC 始终工作在这种状态

我们叫连续电流模型控制

那么这两种呢是有本质的区别的

本质区别是什么呢

左边的呢我们往往是做一个固定频率的控制

右边的呢是变频控制的

也就是说因为它电感量我们如果固定不变

那么电压在变的时候呢

是爬升的这个电流在变 包括时间在变

那么让它一定要掉到底的时候

实际上掉到底的这个时间也在变

所以说呢随着我们不同的输入输出电压的时候

那么这个频率是一直在变

就是一个正弦波的半波里面

实际上每一个时刻那个脉冲都是宽度是不一样的

就是这个周期都不一样

那么让他始终处于这种状态

那么永远处于这种状态

我们叫 CRM 这种状态就是临界模式

那固定频率呢就跟这个这个地方写了

是 CCM+DCM 或者 CRM+DCM

那么或者它都合在一起都有

什么意思呢像这个

我们这个电流大的时候它是连续的

那么这个地方电流小的时候它会掉到地的

掉到地的话刚掉到地呢是属于这种状态

那么再下去的话它就是不连续了

所以说固定频率它存在这个

连续模式和临界模式和 DCM 这种状态

那么 CRM 呢严格的意义上来讲

就是纯粹的这个临界模式

当然有时候我们也会有一些个别的情况下

就是说频率把它并没有跟踪那么快

那么底下呢就会有一段不连续的区域

所以这种情况呢会混合成 CRM+DCM

就是这两种不同的控制方式

那么我一会会讲

讲到这个计算的时候会去讲

这个两个控制的不一样

那么为什么他能做我们 PFC

或者是高次谐波的这个控制

那么刚才讲到这个 PFC 的问题呢

其实我们叫习惯了就是功率因素修正

Power Factor Correct

那么其实呢我们讲的是功率因数修正

这个呢是我的理解是有点不一样的

因为功率因数我们讲 PF 为一对吧

或者是接近于为一

PF 大那高次谐波是不是一定是小呢

那总的高次谐波肯定是小

但是呢对于某一个次数的高次谐波

它不一定是小

所以说我们真正的控制

我们叫是叫 PFC 这种说法

实际上我真正的目的

还是前面讲的要把高次谐波控制到手

每一个高次谐波所控制到我们

能满足 IEC61000-3-2 这个标准的要求

所以这一点大家注意一下

那么特点是这么个特点

所以说我们讲它的影响影响是什么呢

比如说我们做这个 CCM+DCM 这种模式

或者是我们就叫 CCM 这种模式

那么它 PFC 电感就在这个地方

他工作的时候呢

它的纹波呢是在一定的小的范围之内

并不是所有的都是纹波

那么对于 CRM 呢就是所有的都是纹波

所以说对电感这个设计的时候或者选取的时候

你就会发现

在这种情况下要控制我们

当然要控制纹波的含量

那么一个很大的电流情况下

这个电流变化率变化的这个峰峰值很小

那就是什么是我们这个电感量

一定要选得比较大

所以说我们做连续模型 CCM 的时候呢

你用的电感量实际上都是要比较大的

要不然这个纹波就显得非常的大

那么在这种情况下呢

其实还有一个快恢复二极管的问题

快速二极管问题是什么

就在这个地方二极管

那么为什么讲是快恢复二极管呢

其实我们从这个波形可以看到

当它导通的时候

就是这个管子导通的时候

实际上是我们把这个电压

强行的加在了这个 PFC 在电感上

那么这地方是对地短路的

那么加上去之后呢

它在那一瞬间就是从某一个电流的

小的电流值开始电流往上爬

爬到最高的时候呢

我们认为这个对电感里面储能够了

所以说就把这个管子关闭

关闭的那一瞬间

其实它的电流是达到这个三角波的顶点

就是这三角波顶点达到顶点的时候呢

突然关闭了

关闭了我们电感里面是有电流在跑的

所以电感的电流我们知道是它是连续的

它不会跳变对不对

那连续的就意味着什么呢

它一定要往外流

那既然这边流不过去

它会强行往这边流

往二极管往这边流

所以说呢这个时候二极管被强制导通

哪怕是外面的电压比这边的高

就是说我们关闭的时候是零嘛

这电压然后那一瞬间可能会升上来

那最终是要想导通

导通是什么意思呢 就是 Vf 为零

理想的时候 Vf 为零

也就是这边电压等于这边电压等于输出电压

所以说呢就是关闭那一瞬间

这个电感的这一头的电压

会瞬间由于它续流的作用

瞬间把电压抬起来

抬到了跟这边输出电压一样

所以说这是它的一个工作过程

那么一直这个电压

输入电压肯定是比输出电压低了这种情况下

那么它一直给她往这边流电流

实际上是给电容充电或者往负载放电

然后放到一定程度呢

因为电压实际上

是加在这个电感两端电压等于这边高

右边的高左边低那么这个时候呢

这个电感呢实际上加了一个反电压加在上面

所以说电流呢虽然是往一直往右边流

它实际上是逐步在下降

反过来电压 是一直在下降

那降到一定程度

比如说在这个地方

降到这个地方

认为这个能量放的差不多了

所以这个时候呢要把这个管子再次打通

大家注意这个问题

那么她刚才是二极管

一直往这边电流续流是吧

虽然电流很小但是它不是零了在这个地方嘛

不是零也就意味着电流很小

还是往这流的 往这流的过程中

这个 Vf 当然是通的是吧

那么一瞬间这个管子直接对地短路了

那这样一短路出现什么问题

这个电压马上掉零了对不对

那这个还是 400V 是吧

也就是二极管马上来一个反压

但是在反压之前

其实二极管是正向流的

它会需要形成一个反向的电流

就是很大的一个电流反过来流

才能形成这种绝缘层的

所以说那一瞬间呢快恢复的效应

就是一下子就把它恢复了

恢复到这个隔离这种状态

就是两个不导电的状态

那么否则的话电流就会往下灌

所以说它通过一个很大的电流

往这边流的时候呢

那么形成了这个很高的一个绝缘

那么二极管就截止了那这个过程呢

是瞬间大电流往外灌的这个过程呢

是对我们整个的工作非常不利

它会形成什么 形成 EMI 的问题

就是瞬间的 dI/dt 非常大

当然呢这个管子的发热也非常大

所以说我们要用比较好的快恢复的二极管

来做这个地方

所以说这个是我们连续电流模型的

一个非常重要的特点

那么如果说我们临界的那就不存在这问题

为什么呢临界的电流

我刚才讲了一定要到零

也就是说电感的电流往下降

降到了零什么意思

就是这个 Vf 没有电流往上流了

没有电流流的时候那它就是半导体

没导通是不是

那么这个时候呢

底下他实际上没有这个

那个大量的这个电子的

那么也就是说它降到零的时候

这两端是没有电压的

没有电压那么也就是说

没有大电流往下流的时候

实际上它就不会积累了很多的电荷在地方

那么它这地方它自然是截止状态

就是这个二极管是个截止状态

所以截止状态的时候

这边对地短路反过来加高压

实际上这个部分呢

反过来反抽的电流就非常的小

所以它就结果呢导致

这个二极管的快恢复的要求并不高

而且没有很大的 dI/dt 的时候呢

EMI 也会好 二极管的损耗也比较小

所以这是临界模式或者不连续模式的优点

所以这个呢非常重要

这一点啊是希望大家能理解

如果不理解的话

我们去看一下二极管的这个基本的原理

那有的工程师会讲

我现在我用的是碳化硅二极管

不是你讲的那个少数载流子

我是多数载流子

不存在这种效应问题

就是没有快恢复效应

那么是不是会就会非常棒呢

就会解决这个问题呢

其实呢是当然会好一些

但是这个问题依然存在

为什么这么讲呢

其实我们就算是没有 SiC 碳化硅

就是没有这快恢复效应

其实呢这个二极管它是一个结电容

在这的 蛮大的一个结电容

有的是几十皮甚至上百皮的那个电容

相当于并在这两端

那并在这两端你要知道

如果我把这个电容实际上是

导通的时候为零

那么这个一短路的时候

等于瞬间给它这个电容充电

所以反过来从这个输出电压

给它这个二极管的电容充电的时候呢

那么实际上对地短路

那么实际上对地短路

这个反过来充电电流也非常厉害

那么虽然二极管这时候形成的损耗并不大

没有快恢复的那个过程

所以损耗并不大

但是它依然会存在很大的 EMI 的问题

就是说很高 dI/dt 的变化

所以在这个回路里面会产生高频的震荡

所以这是即便用碳化硅它能改善

但是也不可能是消除这种影响

所以这是连续模式一个非常不好的一个特点