PFC电源设计与电感设计计算(二) — 常见PFC电路和特点(4)

我们来看什么时候

它变大变小的规律是什么

那么我现在举两个例

一个是这个 180 度交错

所谓 180 度交错是两套电路

那么才有 180 度

那我用三套电路我就变成 120 度

那当然了四套电路就变成 90 度了

就是说就是类似这个意思

那我们去分析这里头有这么一个曲线图

这个曲线图呢是来自于 TI

最早是 uni 出的资料

那现在 TI 网站上应该找得到

那么这一块呢实际上呢说明什么问题呢

我们来看

首先看实线部分

这个实线部分呢我写的是 K2 是吧

D 是表示占空比 K2 是系数

那么 2 是表示什么

是两路交错

K3 是表示像这个三路交错

如果 K4 是表示四路交错 这是 K4

那么两路交错呢

我们是 180 度交错并联 这一边呢

底下横坐标是占空比 Duty

纵坐标是什么

是我电感的纹波

就是合成之后的电感的纹波

IIN 是这个地方

实际上是把这些电感叠加起来的纹波

除以单个电感的纹波的比率

那么等于 1 是什么意思呢

就是说我总的纹波就等于单个电感的纹波

怎么叠加跌不到一起去

实际上是这个意思

等于 0 呢是表示叠完之后完全没有纹波了

我们发现它是跟占空比有关系

就双路的时候呢

你看如果占空比也接近于零的时候

那么它是一的一直往下掉

掉到占空比 50% 的时候它是为零

也就是如果是双路交错的时候

这 50% 占空比的时候

那么我们这个纹波电流是没有的

理论上来讲就是这个电感量为零的时候

你的也是没有纹波的

但是话说回来电感量为零的时候

你单路的时候这个一短路是吧

这个为零一短路这个电流无穷大

所以这个没什么意义

也不可能这么工作

那么只要是有一丁点电感

它纹波虽然冲得比天还高

但是另外一路也是冲得比天还要高

所以说两个叠加起来呢等于都抵消掉了

没有了 实际上是这个意思

但是我们实际上并不会这样作用

为什么 因为它这个管子的电流是

是有限制的 比如说我用 30A 管子的峰值

那个我不能让他冲到比 30A 还高

那管子就坏掉了

所以说这个电感呢

取值呢就是有一个折中

那么两路是这样

三路呢有个什么特点

就在这你看这个是三路交错的

一百二十度交错 三路呢也很好理解

就是两路的时候是 1/2 占空比一半

三路的 1/3 和 2/3 这两个点

1/3 的地方占空比叠加之后

是没有纹波的

2/3 的地方也没有纹波

所以它有两个没有纹波的点

那么四路的时候呢

就有三个就 1/4 1/2 和 3/4

这三个点都是没有纹波的

所以他有这么个特点

那这个特点拿来有什么用呢

其实呢我画了这个框

这个框也就是如果我的工作

大部分都处于这个占空比

在这个范围之内的 那我去选

如果是我选两路的

你看这个最大的纹波在这就是 70% 以上

就是说叠加了之后

其实在这个点上就是

0.2 这个样子左右占空比

实际上它叠加的效果并不太好

那么越到中间越好

那么如果说我的工作范围

我大概的一个范围是在这个范围

那我如果选三路的时候呢

你会发现大部分是在这个底下了

就是一半以下的纹波了

所以说我选三路的时候电感量就会取得很小

实际上是给我们这么一个指示一个指导

当然你选三路的电路就更复杂了

那就要看我们实际上是不是功率真的那么大

功率特别大的时候

我用三路就非常合适

所以说是给大家这么一个一个指导意义

那么我前面讲了这个交错并联的这个基本概念

那么这个地方呢

我们开始讲一下 无桥 PFC

我不知道大家是不是有跟我一样的体会

比如说我做一个 3000 瓦的

这个无论是单路的还是交错并联的 PFC

那么我就发现呢

我这个整流桥大概在

假设我 PFC 电源部分的效率可以达到 97% 点几

那么这个时候其实我这个整流桥这部分

为了省钱我会把整流桥裕量不会留得很大的

这时 Vf 就是导通压降就比较大

所以说这个导通压降所造成的损耗

大概可能会超过一个百分点

所以这个是非常显着非常的这个大的一个比例

那我们总是希望把这个压降降下去

把效率再提高

所以说这就引入了一个 无桥 PFC 的概念

所谓无桥就是没有这个整流桥

这个桥是只整流桥

啊并不是说我们这个 H 桥了什么桥了

之类的那些桥

所以说没有整流二极管的这种桥

所以说就想把这个去掉

那么我们看中间这个图

我把这个四个二极管呢变成了四个场效应管

或者四个 IGBT 会发现一个什么现象呢

我后面这部分不要了

后面这个这个 IGBT 和这个二极管把它去掉了

直接就电容就接到这个外面来

把这个电感呢拉到外面去

拉到外面去呢

我画的这个黄颜色部分呢

我把它让它等效成这个

如果等效成这个什么意思呢

就是把这个两个上面两个管子关闭对吧

不就剩个二级管了吗是吧

那底下管子也是关闭也是剩个二极管

那就变成这么一个电路了

这么一个电路会出现什么一个情况呢

假设我的这个正弦波输入是正半波

就是这上面是正底下是负的

也就是这个地方是负这个二极管

中间是负这边是正

那我工作的时候呢

假设我总是在这个正半边的时候

那么我把这个这部分就是 PFC

就是刚才这部分电路

这个 PFC 电感在外面嘛

这部分电路那就是这个地方对吧

所以说我把这个用 PFC 工作起来

那这一个是快恢复二级管工作起来

那电流呢从这儿比如说我进去了之后是这样的

然后外面电容或者负载

然后绕回来绕回来他是什么呢

通过这个二极管就回到了原先的负极

在这边是负上面是正

所以说我这就是一个换向的二极管

相当于一个整流桥就是这一部分

就相当于这部分就是把这个接到这边来了

当然我也可以把它反过来

就是我当它负半边

就是上面是负底下是正的时候呢

其实呢我这个二极管就接到了

等于是这个二极管

现在这个二极管呢就是等于这个二极管

那么我用了另外一部分

就是我把这个二极管把这两个都变成二极管

这两边呢变成高频的工作

那么它就可以倒过来用

实际上通过这个办法呢就实现了

正半周和负半周就是来回切换

就是负半周的时候呢

我始终让这两个变成二极管

正半周的时候这两个变成二极管

这是一样的你看啊我再讲一下

负半周的时候是这边是负的 下面是正的

那我这个电流应该怎么走呢

我这么走上去对吧

这个是可以这么走上去 对不对

然后呢这这一部分呢是高频工作

然后这个地方呢是换向的两个二极管

所以这个高频工作的时候呢 PFC 又进去了

然后回来电流我可以从这倒回来是吧

这个二极管流回来再流回电感再倒回来

其实是可以这么做的

所以说它正半周是比如说右边的是二极管

负半周呢反边的二极管

就是把这个整流桥挪到这边来了

但是呢实际上我们这个场效应管也好

IGBT 也好

不能用二极管来做这样的高频的工作

就是说低频的是没问题

作为换向是没问题的

高频的时候呢恢复效应就非常厉害

所以说呢我们会把这个用

就是说真正二极管这个导通的时候

就是这个地方导通的时候呢

始终会把这个场效应二极管短路上

它是导通那这个关闭就是二极管

就反向不能流电流

就反向不能流电流

正向的话就是把二极管短路掉了

所以他没有二极管的桥对不对

那么这一边也是一样

工作的时候正向的时候呢是往上走的

那我把这个场效应管驱动起来

短路上这就等于直接把二极管短路过去了

所以它不会有快恢复的特点

所以它不会有快恢复的特点

那反向的时候关闭的时候呢

就是说他没有电流的时候就直接关闭的最好

但是我们如果连续模型这个就做不到

所以这部分的损耗就会比较厉害

所以说要选择一些比较好的高频管在这地方

实际上是这么一个道理

那么在这一边呢我们来看这个图

这个图呢我就把它做成了交错并联了

这个是单路 这是交错并联

交错并联是什么意思呢

这一路我们其实把这个底下这个删掉

这边删掉那就是等于这个图是吧

那么我如果说再加一路等于并了一路

所以说非常好理解

从这个地方到这个地方非常好理解

就是说无非多了一路电感

和一路高频的东西

那这个呢我始终让它做换向开关用

那是可以这么用的

那我刚才讲的是互相换向

其实也可以不要互相换向

就是用这个换向也是可以的

那么从这个电路呢

我们就可以简单的看到

一个有桥的单向的 PFC 变成了无桥的 PFC

然后再变成无桥的这个交错并联 PFC

就可以这么变过来

那这个呢是实际上是双电平的

就是两电平的

所谓的两电平就是这个输出电压比如是 400V

那么我这个管子始终是

处于 400V 的正负正负之间 就是这个意思

几电平我们往往都是看这个管子的压降

几电平我们往往都是看这个管子的压降

是承受了多少伏电压

就说是一半的电就是那个就是三电平的

为什么三电平呢就是我正的一半

然后有零有负的一半 只有三个电平

那这个呢是要么正要么负或者是这个当零

就是要么正要么零 对吧

那就是两个电平是这个意思

就是这个管子上承受的电压

要么正要么负或者要么正要么零

就是说就是两个电平 对吧 两个电位

所以三电平两电平是这么说的

我们来看什么时候

它变大变小的规律是什么

那么我现在举两个例

一个是这个 180 度交错

所谓 180 度交错是两套电路

那么才有 180 度

那我用三套电路我就变成 120 度

那当然了四套电路就变成 90 度了

就是说就是类似这个意思

那我们去分析这里头有这么一个曲线图

这个曲线图呢是来自于 TI

最早是 uni 出的资料

那现在 TI 网站上应该找得到

那么这一块呢实际上呢说明什么问题呢

我们来看

首先看实线部分

这个实线部分呢我写的是 K2 是吧

D 是表示占空比 K2 是系数

那么 2 是表示什么

是两路交错

K3 是表示像这个三路交错

如果 K4 是表示四路交错 这是 K4

那么两路交错呢

我们是 180 度交错并联 这一边呢

底下横坐标是占空比 Duty

纵坐标是什么

是我电感的纹波

就是合成之后的电感的纹波

IIN 是这个地方

实际上是把这些电感叠加起来的纹波

除以单个电感的纹波的比率

那么等于 1 是什么意思呢

就是说我总的纹波就等于单个电感的纹波

怎么叠加跌不到一起去

实际上是这个意思

等于 0 呢是表示叠完之后完全没有纹波了

我们发现它是跟占空比有关系

就双路的时候呢

你看如果占空比也接近于零的时候

那么它是一的一直往下掉

掉到占空比 50% 的时候它是为零

也就是如果是双路交错的时候

这 50% 占空比的时候

那么我们这个纹波电流是没有的

理论上来讲就是这个电感量为零的时候

你的也是没有纹波的

但是话说回来电感量为零的时候

你单路的时候这个一短路是吧

这个为零一短路这个电流无穷大

所以这个没什么意义

也不可能这么工作

那么只要是有一丁点电感

它纹波虽然冲得比天还高

但是另外一路也是冲得比天还要高

所以说两个叠加起来呢等于都抵消掉了

没有了 实际上是这个意思

但是我们实际上并不会这样作用

为什么 因为它这个管子的电流是

是有限制的 比如说我用 30A 管子的峰值

那个我不能让他冲到比 30A 还高

那管子就坏掉了

所以说这个电感呢

取值呢就是有一个折中

那么两路是这样

三路呢有个什么特点

就在这你看这个是三路交错的

一百二十度交错 三路呢也很好理解

就是两路的时候是 1/2 占空比一半

三路的 1/3 和 2/3 这两个点

1/3 的地方占空比叠加之后

是没有纹波的

2/3 的地方也没有纹波

所以它有两个没有纹波的点

那么四路的时候呢

就有三个就 1/4 1/2 和 3/4

这三个点都是没有纹波的

所以他有这么个特点

那这个特点拿来有什么用呢

其实呢我画了这个框

这个框也就是如果我的工作

大部分都处于这个占空比

在这个范围之内的 那我去选

如果是我选两路的

你看这个最大的纹波在这就是 70% 以上

就是说叠加了之后

其实在这个点上就是

0.2 这个样子左右占空比

实际上它叠加的效果并不太好

那么越到中间越好

那么如果说我的工作范围

我大概的一个范围是在这个范围

那我如果选三路的时候呢

你会发现大部分是在这个底下了

就是一半以下的纹波了

所以说我选三路的时候电感量就会取得很小

实际上是给我们这么一个指示一个指导

当然你选三路的电路就更复杂了

那就要看我们实际上是不是功率真的那么大

功率特别大的时候

我用三路就非常合适

所以说是给大家这么一个一个指导意义

那么我前面讲了这个交错并联的这个基本概念

那么这个地方呢

我们开始讲一下 无桥 PFC

我不知道大家是不是有跟我一样的体会

比如说我做一个 3000 瓦的

这个无论是单路的还是交错并联的 PFC

那么我就发现呢

我这个整流桥大概在

假设我 PFC 电源部分的效率可以达到 97% 点几

那么这个时候其实我这个整流桥这部分

为了省钱我会把整流桥裕量不会留得很大的

这时 Vf 就是导通压降就比较大

所以说这个导通压降所造成的损耗

大概可能会超过一个百分点

所以这个是非常显着非常的这个大的一个比例

那我们总是希望把这个压降降下去

把效率再提高

所以说这就引入了一个 无桥 PFC 的概念

所谓无桥就是没有这个整流桥

这个桥是只整流桥

啊并不是说我们这个 H 桥了什么桥了

之类的那些桥

所以说没有整流二极管的这种桥

所以说就想把这个去掉

那么我们看中间这个图

我把这个四个二极管呢变成了四个场效应管

或者四个 IGBT 会发现一个什么现象呢

我后面这部分不要了

后面这个这个 IGBT 和这个二极管把它去掉了

直接就电容就接到这个外面来

把这个电感呢拉到外面去

拉到外面去呢

我画的这个黄颜色部分呢

我把它让它等效成这个

如果等效成这个什么意思呢

就是把这个两个上面两个管子关闭对吧

不就剩个二级管了吗是吧

那底下管子也是关闭也是剩个二极管

那就变成这么一个电路了

这么一个电路会出现什么一个情况呢

假设我的这个正弦波输入是正半波

就是这上面是正底下是负的

也就是这个地方是负这个二极管

中间是负这边是正

那我工作的时候呢

假设我总是在这个正半边的时候

那么我把这个这部分就是 PFC

就是刚才这部分电路

这个 PFC 电感在外面嘛

这部分电路那就是这个地方对吧

所以说我把这个用 PFC 工作起来

那这一个是快恢复二级管工作起来

那电流呢从这儿比如说我进去了之后是这样的

然后外面电容或者负载

然后绕回来绕回来他是什么呢

通过这个二极管就回到了原先的负极

在这边是负上面是正

所以说我这就是一个换向的二极管

相当于一个整流桥就是这一部分

就相当于这部分就是把这个接到这边来了

当然我也可以把它反过来

就是我当它负半边

就是上面是负底下是正的时候呢

其实呢我这个二极管就接到了

等于是这个二极管

现在这个二极管呢就是等于这个二极管

那么我用了另外一部分

就是我把这个二极管把这两个都变成二极管

这两边呢变成高频的工作

那么它就可以倒过来用

实际上通过这个办法呢就实现了

正半周和负半周就是来回切换

就是负半周的时候呢

我始终让这两个变成二极管

正半周的时候这两个变成二极管

这是一样的你看啊我再讲一下

负半周的时候是这边是负的 下面是正的

那我这个电流应该怎么走呢

我这么走上去对吧

这个是可以这么走上去 对不对

然后呢这这一部分呢是高频工作

然后这个地方呢是换向的两个二极管

所以这个高频工作的时候呢 PFC 又进去了

然后回来电流我可以从这倒回来是吧

这个二极管流回来再流回电感再倒回来

其实是可以这么做的

所以说它正半周是比如说右边的是二极管

负半周呢反边的二极管

就是把这个整流桥挪到这边来了

但是呢实际上我们这个场效应管也好

IGBT 也好

不能用二极管来做这样的高频的工作

就是说低频的是没问题

作为换向是没问题的

高频的时候呢恢复效应就非常厉害

所以说呢我们会把这个用

就是说真正二极管这个导通的时候

就是这个地方导通的时候呢

始终会把这个场效应二极管短路上

它是导通那这个关闭就是二极管

就反向不能流电流

就反向不能流电流

正向的话就是把二极管短路掉了

所以他没有二极管的桥对不对

那么这一边也是一样

工作的时候正向的时候呢是往上走的

那我把这个场效应管驱动起来

短路上这就等于直接把二极管短路过去了

所以它不会有快恢复的特点

所以它不会有快恢复的特点

那反向的时候关闭的时候呢

就是说他没有电流的时候就直接关闭的最好

但是我们如果连续模型这个就做不到

所以这部分的损耗就会比较厉害

所以说要选择一些比较好的高频管在这地方

实际上是这么一个道理

那么在这一边呢我们来看这个图

这个图呢我就把它做成了交错并联了

这个是单路 这是交错并联

交错并联是什么意思呢

这一路我们其实把这个底下这个删掉

这边删掉那就是等于这个图是吧

那么我如果说再加一路等于并了一路

所以说非常好理解

从这个地方到这个地方非常好理解

就是说无非多了一路电感

和一路高频的东西

那这个呢我始终让它做换向开关用

那是可以这么用的

那我刚才讲的是互相换向

其实也可以不要互相换向

就是用这个换向也是可以的

那么从这个电路呢

我们就可以简单的看到

一个有桥的单向的 PFC 变成了无桥的 PFC

然后再变成无桥的这个交错并联 PFC

就可以这么变过来

那这个呢是实际上是双电平的

就是两电平的

所谓的两电平就是这个输出电压比如是 400V

那么我这个管子始终是

处于 400V 的正负正负之间 就是这个意思

几电平我们往往都是看这个管子的压降

几电平我们往往都是看这个管子的压降

是承受了多少伏电压

就说是一半的电就是那个就是三电平的

为什么三电平呢就是我正的一半

然后有零有负的一半 只有三个电平

那这个呢是要么正要么负或者是这个当零

就是要么正要么零 对吧

那就是两个电平是这个意思

就是这个管子上承受的电压

要么正要么负或者要么正要么零

就是说就是两个电平 对吧 两个电位

所以三电平两电平是这么说的