PFC电源设计与电感设计计算(二) — 常见PFC电路和特点(3)

那么临界模式呢这个问题就会好得很多

所以说这个大家要注意

那么开关的器件呢我们往往选择

场效应管 或者 IGBT 对吧

那么什么时候选场效应管什么时候选 IGBT

其实这是跟我们电路的设计有关系

那么如果选 MOSFET 那就意味着我们

可以把开关频率开的很高

也就是说你如果需要很高频率的时候

那么你用场效应管来工作

如果想 IGBT 呢一般到目前为止

IGBT 呢基本上是工在 40K 以内的

超过 40k 那个 IGBT 要非常快非常好的管子

所以说也就是说你用 IGBT 设计

可能这地方电流可以用得很大

但是呢你的频率会降下来

用场效应管呢电流可能不一定很大

但是频率可以设计的开关得很做得很高

当然频率越高呢

实际上这个电感量就会变小是吧

因为这个纹波控制的

一样的纹波的情况下频率高了

当然它这个电感量小了

也能控制到这个很小的纹波 是吧

这个是跟我们这个你所选择的这个器件

和你所选的应用有关系

那么你选择你合适的方式

所以说这个就会相应的对应过来

所以有些时候我们在选择这个电感量的时候

往往并不是为了电感量而去选管子

而是说我们基本上用什么概念呢

我用高频的方式来工作

还是用比较低频率的工作对吧

我是小电流的还是大电流的

看到我的整个的性价比在哪个地方比较好

那么回过头来我们来确定这个电感量

实际上是这么样

那么后面呢我们的计算也是从这个角度来做的

所以说这个是它也就是不同的工作模式

对我们这些几个管子的要求和影响

当然呢用了场管呢

我们有一点实际上非常好

就是关闭可以来得非常的快是吧

关闭的时候因为关闭往往一般

像这种情况都是硬开关

电流特别大的时候突然把它关死了嘛对不对

所以是硬开关

那么 IGBT 呢就有个坏的一点

就是关闭的时候它有拖尾效应

就是它一下子关不死后面还拖了个尾巴

就是有点电流一直在那流着

那这个时候呢它损耗

关闭的损耗就比较大

所以适用 IGBT 为什么频率开不了特别高

是这个原因 在设计使用 IGBT 的时候

往往选择 20k 或者 40k 以内的

那么有些大功率特别大功率的

甚至是只有工作在十几 K 或者几 K

当然有的大 IGBT 模块频率就不会很高

所以我们一定要了解这种大概这种器件的特点

那么最终的取舍

我们设计电路的时候取舍呢

实际上是看我们一个是元器件的损耗

还有一个看 EMI 的影响

那么当然还有它的成本和应用的局限

因为有些功率我觉得特别大的

你就不可能场效应管并了一大堆是吧

场效应管显然在同样的电压和电流的情况下

场效应管肯定贵肯定比 IGBT 较贵的多

所以说这个是完全是因我们的应用

这从这几个角度然后来综合权衡

我们这个电路到底采用 CCM 还是 CRM

当然你要采用 CRM

还有一个情况必须要注意的

因为采用 CRM 所以它纹波电流就特别的大

所以你只选了电感的时候

因为采用 CRM 所以它纹波电流就特别的大

这个电感必须要能够承受

很大纹波电流的时候损耗不是很大对不对

因为采用 CRM 所以它纹波电流就特别的大

那么同时呢也就是说纹波电流特别大

那么同时呢也就是说纹波电流特别大

这个峰值电流 器件的峰值电流就会比较高

所以说这有一些缺点

那么当然这些纹波可能都通过电感

反馈到这个电源的回路里面去了

那么这就形成了我们 EMI 的干扰

实际上就是一个差模干扰 对不对

所以说往往在做大功率的时候

即便是用这个临界模式

我们往往不会用单路的临界模式

单路的纹波全部从电网里面拉进来

这个我们前面的滤波器就很复杂了

所以说这里头呢往往会成交错并联

那么后面我们有这样的实例

下面我们再看这个

就是说单路的 PFC 和交错并联

刚才讲到交错并联总讲到交错并联

其实我们从这个波形能看到

这是一个比较特殊的一个现象

就是说我们把这个单路的 PFC

我把这一部分再拷贝一部分过来

就变成两路 对不对

就是两个 PFC 电感对吧

两个这个开关管两个二极管对吧

那么这种情况下呢之后呢

我假设它上面是绿颜色的电流

底下是红颜色的电流 那么交错并联了

那么我把他两路并联的时候

我选 180 度相位

就是说从这个地方到这是一个周期

然后它一半的地方呢是从这儿开始

那么到这是一个周期

就是刚好一半的周期的时候呢

进入下一个通道的开通

所以这种方式呢 180 交错并联

然后呢它这是一个状态

就是说我们两个电感电流波形呢是这样的

就是纹波比较大

然后把它合成 合成是什么意思

就是从输入的部分来看

或者从输出对这个电解电容来看

那么它只是在这个等于并在一起了

两个电流加在一起

或者这地方并在一起

两个电流加在一起

加在一起的时候会发现就是黑颜色的

也就是纹波就会大幅度减小

这是一个特点

然后它纹波这两个电感量加起来之后

电流是上去了 纹波大幅度减小

那这一下子就我们非常希望

实际上看单路的纹波大就意味着什么

单路的电感量小是不是

那么虽然两个单路电感量非常小

合成了之后呢其实纹波还是很小的

那么也就是说可以来替代这个单路的大电感

来做这个纹波很小的这种情况

那么这样的话呢

实际上这个电路呢在大功率应用的时候

这个电感两个电感加起来

肯定比这一个电感要便宜的多 体积要小

那么缺点是什么呢

电路复杂了是吧

多了一套电路 多了一套驱动

所以说这是它两个有本质上不同的地方

那么什么时候我们用单路的这个 Single Boost

那么什么时候用 Interleave 这个 Boost

因为 Interleave PFC 呢实际上

有我们看这两种情况

其实我什么时候用呢

就是取决于说到底还是一个性价比的问题

如果说你的功率特别小

总共才几百瓦或者是几十瓦

那如果你选双路的就意味着什么

意味着你这个电路非常复杂

我就算一个电感把它变成两个了是便宜了不少

但是这个其实并不贵到哪去 单个电感

然后呢纹波做小也不难

因为我功率小的话频率可以开很高

电感量本来就很小

所以这个时候呢相反你的电路复杂了

对成本的影响肯定更大

我们往往一般来讲就是说这种交错并联

是为了实现更大的功率

就是更大的功率的时候用它比较好

那么从我个人的体会来讲呢

我是什么时候怎么来判断它是交错并联

还是不交错并联

其实我要看我们所选的器件

比如说我这个电路里面设计

我选的是 TO-247 的这个管子

那么如果我一个 TO-247 的管子

我所工作的这个功率呢

基本上就够达到要求了

那这个时候呢我如果选两个 TO-247

来分担的话我实际上就不合算

我一个就能解决了

那这种这种情况下我往往是用单路的这种功率

那么如果说我功率比较大

我就算是用一个这个 TO-247 的管子

来用在这个地方

我发现功率肯定不够

所以我这地方需要两个管子并在一起

当一个管子用

那这种情况下两个管子并在一起

它驱动信号是一样的

那我不如说把他两个 反正是要用两支管子

那我就把它分开启动个各差 180 度

既然你这个用两个管子

这地方基本上也是两个管子的

所以说我把它分开

实际上我的器件并没有增加个数

那这种情况下我倒是比较推荐

用交错并联的方式

这样的话因为器件没有增加

我原先还是用四支管子 现在也是四支管子

那么我只是把一个电感变两个了

那这个优势就非常的明显

其实往往我考虑的时候呢

一般是考虑我的器件有没有增加

如果器件不增加 个数不增加

那么单路的单个器件的那我用单路

如果两个器件的我就用两路

三个器件呢最好你用 180 度那就更厉害

那个电感可以做得很小

那么我们看右边这个波形

这是一个实测的波形

这是我用了一个 350uH 30A 的电流的时候

能达到 350uH 的电感 一个双电感

然后呢把他工作在六个千瓦的一个电流

这是整个的波形

那大家看到这是大家有个印象

就是说我这个绿颜色的实际上

是我们滤波器的输入端

也就是说我们电网进来的

正弦波就是被滤过了之后

即便是滤了之后

你看着有些地方还是有些疙疙瘩瘩的地方

实际上还是有点小纹波的

但是已经比较干净了 EMI 就会比较好

那么这个紫颜色的是什么呢

是我们整流桥就在这个地方

整流桥整流之后的这个电压波形

所以说它就是半个正弦波

半个正弦波 然后把它这是反半波

半个正弦波 然后把它这是反半波

然后翻上来了

实际上如果不翻上来 就是往下走了嘛

所以这是电压波形

那我们的目的是什么呢

我们的目的就是想把这两个电感

合成之后的这个电流波形

让它完全跟踪这个电压波形跑

也就是说电压波形是什么形状

我合成之后的电流波形

也是什么形状 那 PFC 就达到 1 了

底下这个黄颜色是单个的电感的电流波形

无论是上面还是下面

L1 还是 L2

那么都是一样的

那把这两个波形和在一起之后叠加起来

就得到了这个蓝颜色的波形

这个蓝颜色波形实际上是两个电感加在一起

就 IL1+IL2 的电流波形

所以说从这里头我们就能看到刚才这个效果

就是说这个地方你看最顶的这个地方

纹波这么大 叠加之后纹波肯定是小了一块

但是并没有小到很多

没有我这个画的那么玄乎

这个地方是好玄乎的

那我是故意挑了这么个地方画

其实呢你看这个地方是很玄乎的对吧

这两个点纹波几乎为零的 对不对

如果我画到这个位置取出来的

你看纹波这么大就变成这么小了

如果画在这 那你看我这个就不是玄乎了

实际上我是大概是取得这个位置的波形来画的

所以这是这个情况

那么什么时候他会变大什么时候变零

后面呢我再给大家介绍

这样这是给大家一个印象

实际上通过这个印象

你就会发现用很小的电感的单路

叠加起来的纹波实际上变小了很多

很漂亮啊很干净

这是给大家一个交错并联的印象

那么临界模式呢这个问题就会好得很多

所以说这个大家要注意

那么开关的器件呢我们往往选择

场效应管 或者 IGBT 对吧

那么什么时候选场效应管什么时候选 IGBT

其实这是跟我们电路的设计有关系

那么如果选 MOSFET 那就意味着我们

可以把开关频率开的很高

也就是说你如果需要很高频率的时候

那么你用场效应管来工作

如果想 IGBT 呢一般到目前为止

IGBT 呢基本上是工在 40K 以内的

超过 40k 那个 IGBT 要非常快非常好的管子

所以说也就是说你用 IGBT 设计

可能这地方电流可以用得很大

但是呢你的频率会降下来

用场效应管呢电流可能不一定很大

但是频率可以设计的开关得很做得很高

当然频率越高呢

实际上这个电感量就会变小是吧

因为这个纹波控制的

一样的纹波的情况下频率高了

当然它这个电感量小了

也能控制到这个很小的纹波 是吧

这个是跟我们这个你所选择的这个器件

和你所选的应用有关系

那么你选择你合适的方式

所以说这个就会相应的对应过来

所以有些时候我们在选择这个电感量的时候

往往并不是为了电感量而去选管子

而是说我们基本上用什么概念呢

我用高频的方式来工作

还是用比较低频率的工作对吧

我是小电流的还是大电流的

看到我的整个的性价比在哪个地方比较好

那么回过头来我们来确定这个电感量

实际上是这么样

那么后面呢我们的计算也是从这个角度来做的

所以说这个是它也就是不同的工作模式

对我们这些几个管子的要求和影响

当然呢用了场管呢

我们有一点实际上非常好

就是关闭可以来得非常的快是吧

关闭的时候因为关闭往往一般

像这种情况都是硬开关

电流特别大的时候突然把它关死了嘛对不对

所以是硬开关

那么 IGBT 呢就有个坏的一点

就是关闭的时候它有拖尾效应

就是它一下子关不死后面还拖了个尾巴

就是有点电流一直在那流着

那这个时候呢它损耗

关闭的损耗就比较大

所以适用 IGBT 为什么频率开不了特别高

是这个原因 在设计使用 IGBT 的时候

往往选择 20k 或者 40k 以内的

那么有些大功率特别大功率的

甚至是只有工作在十几 K 或者几 K

当然有的大 IGBT 模块频率就不会很高

所以我们一定要了解这种大概这种器件的特点

那么最终的取舍

我们设计电路的时候取舍呢

实际上是看我们一个是元器件的损耗

还有一个看 EMI 的影响

那么当然还有它的成本和应用的局限

因为有些功率我觉得特别大的

你就不可能场效应管并了一大堆是吧

场效应管显然在同样的电压和电流的情况下

场效应管肯定贵肯定比 IGBT 较贵的多

所以说这个是完全是因我们的应用

这从这几个角度然后来综合权衡

我们这个电路到底采用 CCM 还是 CRM

当然你要采用 CRM

还有一个情况必须要注意的

因为采用 CRM 所以它纹波电流就特别的大

所以你只选了电感的时候

因为采用 CRM 所以它纹波电流就特别的大

这个电感必须要能够承受

很大纹波电流的时候损耗不是很大对不对

因为采用 CRM 所以它纹波电流就特别的大

那么同时呢也就是说纹波电流特别大

那么同时呢也就是说纹波电流特别大

这个峰值电流 器件的峰值电流就会比较高

所以说这有一些缺点

那么当然这些纹波可能都通过电感

反馈到这个电源的回路里面去了

那么这就形成了我们 EMI 的干扰

实际上就是一个差模干扰 对不对

所以说往往在做大功率的时候

即便是用这个临界模式

我们往往不会用单路的临界模式

单路的纹波全部从电网里面拉进来

这个我们前面的滤波器就很复杂了

所以说这里头呢往往会成交错并联

那么后面我们有这样的实例

下面我们再看这个

就是说单路的 PFC 和交错并联

刚才讲到交错并联总讲到交错并联

其实我们从这个波形能看到

这是一个比较特殊的一个现象

就是说我们把这个单路的 PFC

我把这一部分再拷贝一部分过来

就变成两路 对不对

就是两个 PFC 电感对吧

两个这个开关管两个二极管对吧

那么这种情况下呢之后呢

我假设它上面是绿颜色的电流

底下是红颜色的电流 那么交错并联了

那么我把他两路并联的时候

我选 180 度相位

就是说从这个地方到这是一个周期

然后它一半的地方呢是从这儿开始

那么到这是一个周期

就是刚好一半的周期的时候呢

进入下一个通道的开通

所以这种方式呢 180 交错并联

然后呢它这是一个状态

就是说我们两个电感电流波形呢是这样的

就是纹波比较大

然后把它合成 合成是什么意思

就是从输入的部分来看

或者从输出对这个电解电容来看

那么它只是在这个等于并在一起了

两个电流加在一起

或者这地方并在一起

两个电流加在一起

加在一起的时候会发现就是黑颜色的

也就是纹波就会大幅度减小

这是一个特点

然后它纹波这两个电感量加起来之后

电流是上去了 纹波大幅度减小

那这一下子就我们非常希望

实际上看单路的纹波大就意味着什么

单路的电感量小是不是

那么虽然两个单路电感量非常小

合成了之后呢其实纹波还是很小的

那么也就是说可以来替代这个单路的大电感

来做这个纹波很小的这种情况

那么这样的话呢

实际上这个电路呢在大功率应用的时候

这个电感两个电感加起来

肯定比这一个电感要便宜的多 体积要小

那么缺点是什么呢

电路复杂了是吧

多了一套电路 多了一套驱动

所以说这是它两个有本质上不同的地方

那么什么时候我们用单路的这个 Single Boost

那么什么时候用 Interleave 这个 Boost

因为 Interleave PFC 呢实际上

有我们看这两种情况

其实我什么时候用呢

就是取决于说到底还是一个性价比的问题

如果说你的功率特别小

总共才几百瓦或者是几十瓦

那如果你选双路的就意味着什么

意味着你这个电路非常复杂

我就算一个电感把它变成两个了是便宜了不少

但是这个其实并不贵到哪去 单个电感

然后呢纹波做小也不难

因为我功率小的话频率可以开很高

电感量本来就很小

所以这个时候呢相反你的电路复杂了

对成本的影响肯定更大

我们往往一般来讲就是说这种交错并联

是为了实现更大的功率

就是更大的功率的时候用它比较好

那么从我个人的体会来讲呢

我是什么时候怎么来判断它是交错并联

还是不交错并联

其实我要看我们所选的器件

比如说我这个电路里面设计

我选的是 TO-247 的这个管子

那么如果我一个 TO-247 的管子

我所工作的这个功率呢

基本上就够达到要求了

那这个时候呢我如果选两个 TO-247

来分担的话我实际上就不合算

我一个就能解决了

那这种这种情况下我往往是用单路的这种功率

那么如果说我功率比较大

我就算是用一个这个 TO-247 的管子

来用在这个地方

我发现功率肯定不够

所以我这地方需要两个管子并在一起

当一个管子用

那这种情况下两个管子并在一起

它驱动信号是一样的

那我不如说把他两个 反正是要用两支管子

那我就把它分开启动个各差 180 度

既然你这个用两个管子

这地方基本上也是两个管子的

所以说我把它分开

实际上我的器件并没有增加个数

那这种情况下我倒是比较推荐

用交错并联的方式

这样的话因为器件没有增加

我原先还是用四支管子 现在也是四支管子

那么我只是把一个电感变两个了

那这个优势就非常的明显

其实往往我考虑的时候呢

一般是考虑我的器件有没有增加

如果器件不增加 个数不增加

那么单路的单个器件的那我用单路

如果两个器件的我就用两路

三个器件呢最好你用 180 度那就更厉害

那个电感可以做得很小

那么我们看右边这个波形

这是一个实测的波形

这是我用了一个 350uH 30A 的电流的时候

能达到 350uH 的电感 一个双电感

然后呢把他工作在六个千瓦的一个电流

这是整个的波形

那大家看到这是大家有个印象

就是说我这个绿颜色的实际上

是我们滤波器的输入端

也就是说我们电网进来的

正弦波就是被滤过了之后

即便是滤了之后

你看着有些地方还是有些疙疙瘩瘩的地方

实际上还是有点小纹波的

但是已经比较干净了 EMI 就会比较好

那么这个紫颜色的是什么呢

是我们整流桥就在这个地方

整流桥整流之后的这个电压波形

所以说它就是半个正弦波

半个正弦波 然后把它这是反半波

半个正弦波 然后把它这是反半波

然后翻上来了

实际上如果不翻上来 就是往下走了嘛

所以这是电压波形

那我们的目的是什么呢

我们的目的就是想把这两个电感

合成之后的这个电流波形

让它完全跟踪这个电压波形跑

也就是说电压波形是什么形状

我合成之后的电流波形

也是什么形状 那 PFC 就达到 1 了

底下这个黄颜色是单个的电感的电流波形

无论是上面还是下面

L1 还是 L2

那么都是一样的

那把这两个波形和在一起之后叠加起来

就得到了这个蓝颜色的波形

这个蓝颜色波形实际上是两个电感加在一起

就 IL1+IL2 的电流波形

所以说从这里头我们就能看到刚才这个效果

就是说这个地方你看最顶的这个地方

纹波这么大 叠加之后纹波肯定是小了一块

但是并没有小到很多

没有我这个画的那么玄乎

这个地方是好玄乎的

那我是故意挑了这么个地方画

其实呢你看这个地方是很玄乎的对吧

这两个点纹波几乎为零的 对不对

如果我画到这个位置取出来的

你看纹波这么大就变成这么小了

如果画在这 那你看我这个就不是玄乎了

实际上我是大概是取得这个位置的波形来画的

所以这是这个情况

那么什么时候他会变大什么时候变零

后面呢我再给大家介绍

这样这是给大家一个印象

实际上通过这个印象

你就会发现用很小的电感的单路

叠加起来的纹波实际上变小了很多

很漂亮啊很干净

这是给大家一个交错并联的印象