PFC电源设计与电感设计计算(三) — 常见PFC电路和特点(1) 3A

各位电源工程师朋友们

大家好 我是邵革良

现在我们开始进入第二讲

还是这个常见的 PFC 电路特点的第二部分

那么前面讲呢

其实我们已经讲了很多有关两电平

和三电平的内容

那么这一讲呢

会更加详细的去讲解这个内容

因为现在三电平的方案会越来越的多

用的越来越多

所以说我们会把这个它的一些特点

更加详细地让大家了解

那么讲解完这个之后

就是我们会讲解

比较一些特殊的 PFC 电路

比如说我们叫部分开关模式

在有些应用场合里面

它现在是个主流应用

那么当然后面还有一个所谓的

电压跟踪的控制

就电压跟随控制

那么这里头的一些好处是什么

我们来看这个图里面呢这一部分

我们是一个两电平的方案

我们假设我们这个 PFC

升压要把它升到 800 伏

也就是 +400 -400 或者是底下是零

上面是正 800

这个是一样道理

那么我这个单路就是单向的 PFC

我们从这个地方来来讲解

这个单相的 PFC

单相的 PFC 呢这是一个无桥的方案

那么我们假设把这个地方接地变成零

那上面就是正 800伏

那么什么时候我们为什么说它是两电平

我们这么去理解

当我这个正弦波正半轴的时候

也是上面是正下面是负的时候

我们看电流怎么走

正半周的时候呢

我们这个加电压了

那么假设电感里面有电流流

那么有电流有两种情况

一种是给他充电的时候

一种是给它放电的时候

那么我先讲是充电

充电是什么意思

就是我们把底下这个管子强制短路

开通了 开通了这个是短路了

这个短路那个电流是这样流的流进去

电压加在这个电感上流进去短路

流到这流到地上

流在地上通过这个二极管回来了

回到这个电源

所以说如果是这个地方

在短路的过程中也开通把二极管短路掉

那就是完全短路掉

那也就是说这个是短路

底下是短路

那么我们就是一个电源加在这个电感上

电压加上去

那么通过它这个短路给他充磁

这时候呢我们的这个二极管

这个场效应管都是短路的

或者 IGBT 都短路的

那么 IGBT 的两端电压是多少 是零

其实这是一个电平 电平为零

那第二个电平在哪里

它短路的时候

这肯定是关闭的

这两个是关闭的

那他两端电压是多少呢

是 800 伏 对不对

我们刚才讲了 800 伏

所以说它一个是零一个是 800 伏

他有两个电平

那相反呢如果我把上面短路底下开路呢

也是倒过来所以说场效应管上

它只有两种状态

要么是零 要么是 800伏

所以说这个时候呢我们叫

两电平就是有两个电平

刚才继续讲

就是说我先呢是短路充磁了

充磁之后呢然后把这个关闭掉

关闭掉由于电感有续流作用

所以它电流必须往上走

强行的往上走

即便这个是关闭的

那么有二极管作用

它就会把二极管强行打通

就是给这个母线上去供电

这个时候呢如果说电流脉冲的话呢

就是从给电容滤波就是给电容充电

那一部分能量呢就是往负载上去

它是这么一个过程

那么电流往这流下来之后

然后通过这个呢

再通过这个二极管

再回到了电网的负极上去

所以它形成了这么一个循环

从这儿走再下来再转回来

从这儿走再回到这个电源上

所以说这个就是我们常规的

一个 PFC 的那个 Boost 的那个过程

只不过他是一个换向开关

就是方向是这个导通的这个一直关闭

就是正弦波的这个正半波的时候

他一直是关闭的

这个一直是导通的

那么这个呢是高频的 on off

这个也是高频的 on off

实际上是这么一个 Boost 的过程

那相反反过来的时候

底下是正上面是负的时候

它是电流是怎么流的呢

这个是正

那么假设我这地方还是个换向开关

这个时候呢我把底下都关闭掉了

上面呢是开通的

一直开通总开通

就是 50Hz 的时候

等于说这个反过来半边我全开通

全导通短路上的话

那么电流呢它是从这个地方

它正电压加进去

它要往这上面走

然后相当于这么走回来

但是这种这种做法呢有我们必须要注意到

就是说我们这个管子呢

实际上它还是一个要有一个短路的过程

什么意思呢

如果我这边正的时候

它这边是短路的

然后我把这个一短路

是不是他不往那去了

它都是在这个地方

直接就把这个电感短路在这个电源上了

就是上面两个管子我全部开通

底下全部关闭这个电感就在这里头转上了

是这个意思吧

那么底下两个是关闭的

所以这边的高压

它是绝对不可能从这地方下来

也不可能从电感里面转一圈从这地方下来

所以说这个高压无关 隔离开了

也就是说这两个短路的同时短路的时候

它一定是这么的走

那么这实际上是给这个电感的充

就反过来是充磁了

就是能量储存了

那储存到够的时候呢

我们强行把这个关闭掉

把上面这个管子关闭掉

这个管子关闭掉

这个电感是必须要续流的是吧

所以它这个场效应管一关闭那个电流

它不可能从这个二极管流

这是它截止的

所以它必须从底下往上抽

底下抽它电路只有这个二极管强制被打通

强制被打通

当然为了减少损耗

这个时候一打通那一瞬间呢

把这个管子也短路掉

那这个地方就是完全短路了 完全短路掉

那就是说它电流这个是强制的

有个电流必须要往这流

跟你这边加不加电源没关

就是说它是储存能量必须要这么放

其实他就强制的从这地方拉回一个电流来

然后从这走什么呢电流往这走

往这走底下是下不去的

刚才讲的这个是长期关闭的

这是长期开通的

所以它的电流就必须从这儿走

这儿走的这个地方是关闭的

下不去所以它只能从这个电容充电

和从负载往外走 走到地上去

走到地上去这个是

这个是有二极管

这个可以这么通

但是呢更多的它不会从这通

因为这是这是正的

反过来是正的 通不上去

它从这儿走 这是通的

那么就形成这个回路了

所以我在画一下啊就是说电流呢

由于这个电感续流的作用

它是从这个地方这个中点开始

往这边流过来 走过来 再上去

再下来 再过来 再往这流

流回到这个原点形成这么一个回路

那这个回路的过程

就是给这个电容充电的过程

所以这就是 Boost 升压

所以它的升压升多少 升 800V

那么从这个电感的电压来看

在这个过程中

它短路的时候

当然还是这个 Vin

就是把这个电感短路 关闭的时候

这两端电压就是 800 伏的电压

所以说它也是一个两电平

只不过他电压很高

800V 给它加在上面

那么我们看清楚了

这个两电平的工作原理

那么把它变成三相呢

其实这个道理是一模一样

只是说它那个要注意

就是说它工作的时候

比如说我这两个

这个电压达到那个三相的峰值

比如说我从这一项的来讲

单向的峰值的时候

那这两相呢是正好是处于一个正的

那这两相呢是正好是处于一个正的

大概是 0.7% 的地方

这是 -0.7 两个是互相抵消的等等

就是说要知道它三相

把三相的波形按相位画出来

你就知道它应该是哪两个

哪个是处于长期开通和关闭

哪一个阶段

那哪个阶段的管子呢是属于高频运作

那个这个呢我们只要画出那个图形来

你就可以把这时序图就画着清清楚楚

控制它就很容易

那么不管怎么说

这两个都是升压成 800V

那同样底下也是生压成 800V

所以说呢我们把这一个中点

接到这个地方来

就接到这个这个我们的交流电接到这

假设我们看单相 220 单相的地方

那这个中点接到这

然后正半周的时候她怎么走

正了进去如果我说我这个短路

那就是这个电感 220 的电压

就是 310V 的峰值

直接我加到这个地方来

那么就是这么回路

那么就是这么回路

所以说这个电感是给它储存能量

所以能量储存到一定时候

我把这个管子关闭掉了

这个地方双向开关关闭掉不工作

不工作的时候呢它续流作用

他不会往下

这个截止的 那就往上跑了

所以这个时候呢

它就一定是往这往这跑的

就是给电容充电了

那给电容充电

然后从这个地方回来

所以说这个正半周是这么跑的

充电是这么跑

就给电容充电是往这个回路里面这么跑

那么给电感充电呢

是从这个地方直接短路着跑

所以说它工作的时候呢

就是上面这个这个管子

和这个二极管起作用

底下全部这个是关闭的

那么只不过充电时候是从左向右的电流跑

因为这边是正极的

那么先把负半周的时候呢倒过来

就是说这个地方是负电压

这地方是高电压

高电压呢它是这么走

那么充电的时候

它其实也是这个短路

只不过电流从右边向左边流了

所以说给这个充电

给这个电感充电

那么电流达到一定的大小的时候

他认为是充够的时候

能量储存够了

那么把这个管子呢关闭掉

关闭掉呢由于这个电流是往左边跑的

所以他要电感要续流

所以它必须电流往这儿走

这边没有 流不过来了

那上面是截止的不可能流

所以只能把底下的二极管强制打通了

所以说我们就会发现它电流是怎么的

从这个地方往这走 走到这儿呢往这跑了

跑到了这个地方过不去

因为关闭了嘛是吧

所以说它从电容充电的过程中

一边充电也别往这个二极管打通

所以这个过程呢就等于 Boost 升压的过程

就是把底下的电容充电

或是 400V 反过来 400V 的充电 Boost 升压

所以说正半波呢是给上面工作

负半波呢是给底下工作

所以这样交替的工作了

实际上是这么一个原理

那么我们讲的三电平是这样的

如果说我这个这个管子打通

这个短路的时候是不是电平为零

两边为零

两边为零

那么关闭的时候是不是它只有 400V

就是说有一个 400V 的电压

就是没有 1/2 的电压加上去了

然后呢这反过来时候呢它是一个 -400V

加上去了就是一个反过来的 400V

所以它有三个电平

有一个这个管子两端的

这个双向开关两端的承受电压

是有 +400V 和 -400V 和零三个电位来出现的

所以这个我们叫三电平

各位电源工程师朋友们

大家好 我是邵革良

现在我们开始进入第二讲

还是这个常见的 PFC 电路特点的第二部分

那么前面讲呢

其实我们已经讲了很多有关两电平

和三电平的内容

那么这一讲呢

会更加详细的去讲解这个内容

因为现在三电平的方案会越来越的多

用的越来越多

所以说我们会把这个它的一些特点

更加详细地让大家了解

那么讲解完这个之后

就是我们会讲解

比较一些特殊的 PFC 电路

比如说我们叫部分开关模式

在有些应用场合里面

它现在是个主流应用

那么当然后面还有一个所谓的

电压跟踪的控制

就电压跟随控制

那么这里头的一些好处是什么

我们来看这个图里面呢这一部分

我们是一个两电平的方案

我们假设我们这个 PFC

升压要把它升到 800 伏

也就是 +400 -400 或者是底下是零

上面是正 800

这个是一样道理

那么我这个单路就是单向的 PFC

我们从这个地方来来讲解

这个单相的 PFC

单相的 PFC 呢这是一个无桥的方案

那么我们假设把这个地方接地变成零

那上面就是正 800伏

那么什么时候我们为什么说它是两电平

我们这么去理解

当我这个正弦波正半轴的时候

也是上面是正下面是负的时候

我们看电流怎么走

正半周的时候呢

我们这个加电压了

那么假设电感里面有电流流

那么有电流有两种情况

一种是给他充电的时候

一种是给它放电的时候

那么我先讲是充电

充电是什么意思

就是我们把底下这个管子强制短路

开通了 开通了这个是短路了

这个短路那个电流是这样流的流进去

电压加在这个电感上流进去短路

流到这流到地上

流在地上通过这个二极管回来了

回到这个电源

所以说如果是这个地方

在短路的过程中也开通把二极管短路掉

那就是完全短路掉

那也就是说这个是短路

底下是短路

那么我们就是一个电源加在这个电感上

电压加上去

那么通过它这个短路给他充磁

这时候呢我们的这个二极管

这个场效应管都是短路的

或者 IGBT 都短路的

那么 IGBT 的两端电压是多少 是零

其实这是一个电平 电平为零

那第二个电平在哪里

它短路的时候

这肯定是关闭的

这两个是关闭的

那他两端电压是多少呢

是 800 伏 对不对

我们刚才讲了 800 伏

所以说它一个是零一个是 800 伏

他有两个电平

那相反呢如果我把上面短路底下开路呢

也是倒过来所以说场效应管上

它只有两种状态

要么是零 要么是 800伏

所以说这个时候呢我们叫

两电平就是有两个电平

刚才继续讲

就是说我先呢是短路充磁了

充磁之后呢然后把这个关闭掉

关闭掉由于电感有续流作用

所以它电流必须往上走

强行的往上走

即便这个是关闭的

那么有二极管作用

它就会把二极管强行打通

就是给这个母线上去供电

这个时候呢如果说电流脉冲的话呢

就是从给电容滤波就是给电容充电

那一部分能量呢就是往负载上去

它是这么一个过程

那么电流往这流下来之后

然后通过这个呢

再通过这个二极管

再回到了电网的负极上去

所以它形成了这么一个循环

从这儿走再下来再转回来

从这儿走再回到这个电源上

所以说这个就是我们常规的

一个 PFC 的那个 Boost 的那个过程

只不过他是一个换向开关

就是方向是这个导通的这个一直关闭

就是正弦波的这个正半波的时候

他一直是关闭的

这个一直是导通的

那么这个呢是高频的 on off

这个也是高频的 on off

实际上是这么一个 Boost 的过程

那相反反过来的时候

底下是正上面是负的时候

它是电流是怎么流的呢

这个是正

那么假设我这地方还是个换向开关

这个时候呢我把底下都关闭掉了

上面呢是开通的

一直开通总开通

就是 50Hz 的时候

等于说这个反过来半边我全开通

全导通短路上的话

那么电流呢它是从这个地方

它正电压加进去

它要往这上面走

然后相当于这么走回来

但是这种这种做法呢有我们必须要注意到

就是说我们这个管子呢

实际上它还是一个要有一个短路的过程

什么意思呢

如果我这边正的时候

它这边是短路的

然后我把这个一短路

是不是他不往那去了

它都是在这个地方

直接就把这个电感短路在这个电源上了

就是上面两个管子我全部开通

底下全部关闭这个电感就在这里头转上了

是这个意思吧

那么底下两个是关闭的

所以这边的高压

它是绝对不可能从这地方下来

也不可能从电感里面转一圈从这地方下来

所以说这个高压无关 隔离开了

也就是说这两个短路的同时短路的时候

它一定是这么的走

那么这实际上是给这个电感的充

就反过来是充磁了

就是能量储存了

那储存到够的时候呢

我们强行把这个关闭掉

把上面这个管子关闭掉

这个管子关闭掉

这个电感是必须要续流的是吧

所以它这个场效应管一关闭那个电流

它不可能从这个二极管流

这是它截止的

所以它必须从底下往上抽

底下抽它电路只有这个二极管强制被打通

强制被打通

当然为了减少损耗

这个时候一打通那一瞬间呢

把这个管子也短路掉

那这个地方就是完全短路了 完全短路掉

那就是说它电流这个是强制的

有个电流必须要往这流

跟你这边加不加电源没关

就是说它是储存能量必须要这么放

其实他就强制的从这地方拉回一个电流来

然后从这走什么呢电流往这走

往这走底下是下不去的

刚才讲的这个是长期关闭的

这是长期开通的

所以它的电流就必须从这儿走

这儿走的这个地方是关闭的

下不去所以它只能从这个电容充电

和从负载往外走 走到地上去

走到地上去这个是

这个是有二极管

这个可以这么通

但是呢更多的它不会从这通

因为这是这是正的

反过来是正的 通不上去

它从这儿走 这是通的

那么就形成这个回路了

所以我在画一下啊就是说电流呢

由于这个电感续流的作用

它是从这个地方这个中点开始

往这边流过来 走过来 再上去

再下来 再过来 再往这流

流回到这个原点形成这么一个回路

那这个回路的过程

就是给这个电容充电的过程

所以这就是 Boost 升压

所以它的升压升多少 升 800V

那么从这个电感的电压来看

在这个过程中

它短路的时候

当然还是这个 Vin

就是把这个电感短路 关闭的时候

这两端电压就是 800 伏的电压

所以说它也是一个两电平

只不过他电压很高

800V 给它加在上面

那么我们看清楚了

这个两电平的工作原理

那么把它变成三相呢

其实这个道理是一模一样

只是说它那个要注意

就是说它工作的时候

比如说我这两个

这个电压达到那个三相的峰值

比如说我从这一项的来讲

单向的峰值的时候

那这两相呢是正好是处于一个正的

那这两相呢是正好是处于一个正的

大概是 0.7% 的地方

这是 -0.7 两个是互相抵消的等等

就是说要知道它三相

把三相的波形按相位画出来

你就知道它应该是哪两个

哪个是处于长期开通和关闭

哪一个阶段

那哪个阶段的管子呢是属于高频运作

那个这个呢我们只要画出那个图形来

你就可以把这时序图就画着清清楚楚

控制它就很容易

那么不管怎么说

这两个都是升压成 800V

那同样底下也是生压成 800V

所以说呢我们把这一个中点

接到这个地方来

就接到这个这个我们的交流电接到这

假设我们看单相 220 单相的地方

那这个中点接到这

然后正半周的时候她怎么走

正了进去如果我说我这个短路

那就是这个电感 220 的电压

就是 310V 的峰值

直接我加到这个地方来

那么就是这么回路

那么就是这么回路

所以说这个电感是给它储存能量

所以能量储存到一定时候

我把这个管子关闭掉了

这个地方双向开关关闭掉不工作

不工作的时候呢它续流作用

他不会往下

这个截止的 那就往上跑了

所以这个时候呢

它就一定是往这往这跑的

就是给电容充电了

那给电容充电

然后从这个地方回来

所以说这个正半周是这么跑的

充电是这么跑

就给电容充电是往这个回路里面这么跑

那么给电感充电呢

是从这个地方直接短路着跑

所以说它工作的时候呢

就是上面这个这个管子

和这个二极管起作用

底下全部这个是关闭的

那么只不过充电时候是从左向右的电流跑

因为这边是正极的

那么先把负半周的时候呢倒过来

就是说这个地方是负电压

这地方是高电压

高电压呢它是这么走

那么充电的时候

它其实也是这个短路

只不过电流从右边向左边流了

所以说给这个充电

给这个电感充电

那么电流达到一定的大小的时候

他认为是充够的时候

能量储存够了

那么把这个管子呢关闭掉

关闭掉呢由于这个电流是往左边跑的

所以他要电感要续流

所以它必须电流往这儿走

这边没有 流不过来了

那上面是截止的不可能流

所以只能把底下的二极管强制打通了

所以说我们就会发现它电流是怎么的

从这个地方往这走 走到这儿呢往这跑了

跑到了这个地方过不去

因为关闭了嘛是吧

所以说它从电容充电的过程中

一边充电也别往这个二极管打通

所以这个过程呢就等于 Boost 升压的过程

就是把底下的电容充电

或是 400V 反过来 400V 的充电 Boost 升压

所以说正半波呢是给上面工作

负半波呢是给底下工作

所以这样交替的工作了

实际上是这么一个原理

那么我们讲的三电平是这样的

如果说我这个这个管子打通

这个短路的时候是不是电平为零

两边为零

两边为零

那么关闭的时候是不是它只有 400V

就是说有一个 400V 的电压

就是没有 1/2 的电压加上去了

然后呢这反过来时候呢它是一个 -400V

加上去了就是一个反过来的 400V

所以它有三个电平

有一个这个管子两端的

这个双向开关两端的承受电压

是有 +400V 和 -400V 和零三个电位来出现的

所以这个我们叫三电平