PFC电源设计与电感设计计算(五) - CCM PFC电路设计计算(2)

下面呢我们总结一下

总结一下呢

其实我刚才讲的

其实我们做 PFC 的

比如说单路的连续模式的 PFC 电路设计呢

我们最关心的是什么

就是说这个电感量

在最大的 Ipk 就是峰值

在这个顶点上

在这个位置的顶点上

这个电感量需要多少

这是我们想知道

那么第二个呢

这个顶点到底是多少电流

这个顶点到底是多少电流

然后呢即便是知道它了之后呢

因为我必须要输出很大的功率

在很大功率的时候呢

我跑过这个电感线圈的时候的有效值是多少

其实我们首先是想知道这三个量

那至于这个电感量由什么来决定呢

好，我们看这个公式

这个呢是平均值

比如说 iamp，这是表示平均值

就是这个峰值

就这一点叫作

就这一点叫做 iamp

就是把它平均值了

最大的点的平均值

这个 P 是 peak 的意思

就是 am 是表示幅值

那么这一点呢，是最大的电压

我们再取这一

还是取这一点

把这个波形给它放大

那么我们会得到这么一个关系式

我们首先是这一点的电流是多少

我刚才讲的

按输入功率来算是吧

那么可以得到这么一个关系是不是

这个 VAC 是等于说

比如说 220 就是 220V 是吧

那么在这种情况下得到这个关系

也就是说这条线呢

在这个点我们是

电流是通过功率算出来的

电流是通过功率算出来的

那么电压呢

当然就是我们的幅值电压了

这是有效值乘上根号二了

那么这个呢

是我们算这一个点的占空比是吧

我们前面那个讲过

这个占空比是通过这个来推导出来是吧

好

那这个呢是我们的 △i 是多少是吧

这是 △i

都是我们上一个 PPT 讲过的

就是前面的 PPT 的这意思

那问题是我们不知道电感量我选多少合适

那我们引入了这个 γ 这个概念

γ 是什么呢看这个图

我们假设这条线

蓝的这个圆弧形的线

是指这里头这个红的线

就是说它的平均值

或者是它这个电流的有效值

不是真正的有效值了

是这个低频的一个有效值

就是这个轨迹

那么我们最关注的是什么呢

就是我设计

我们设计 PFC 的时候最关注的是什么

关注的是我的纹波不要太大对不对

纹波如果是可以足够大

那电感量就很小

那纹波大了之后呢

会出现什么后果呢

就是一个我们的管子的峰值电流就大了

这是一方面

会引起损耗的问题

或者选择管子会选择很大

第二个问题是什么呢

就是这个纹波的电流呢

实际上是从电源线上拉进来的

我前面可能有 EMI 滤波器对不对

那 EMI 滤波器干什么呢

就是想把这个纹波给去掉

因为这个纹波频率很高

比如说我们用 20k 的频率

虽然 20k 对 EMI 不产生什么关系

但是你的高频分量肯定是存在的对不对

高频分量你进到 150k 以上

就变成了传导的干扰对不对

所以说我们传导干扰呢

无论是差模的共模的都是要抑制掉的

那么也就是说

我们不希望把这个纹波做的太大

太大的话呢

那个 EMI 滤波器如果滤不干净

那就变成了差模的传导干扰

所以说呢我们实际上做 PFC

就是要控制这个纹波不要太大

那我们用什么方法来表征呢

就用这个 γ

γ 是什么呢

就是我这个峰峰值对吧

除以这一点的

这个顶点的这个有效值的幅值

或者是平均值

这个顶点的平均值

那么把这个参数呢定义成 γ

所以说这个是跟我们什么相关

跟我们 EMC 相关的

如果它太大了

我们 EMC 滤波器

可能就要做的比较复杂，对不对

那么要么就是你那个

最起码差模干扰可能就搞不定

就有这个问题

所以说这一块呢

是跟我们 EMC 相关

所以说一定要对 △i 呢

并不是要做得很大

所以说由这个来决定

我们这个电感要选多少

实际上是这么概念

好

那么刚才也讲过了

电感流过电感的有效值

那就是开根号对吧

这个是平均值的平方

这是低频的分量

加上高频分量的平方是吧

然后这个是这样

那么我们实际上呢

做 PFC 的设计呢

我们就是要先推导一下之后呢

要得出这些概念

就是一个是占空比是多少

通过占空比呢

我们算出来这个需要的电感量是多少

怎么算呢

刚才说了半天其实没有算对不对

那么我们一般有经验

比如说我做个 3kW 的 PFC

或者一个 1kW 的 PFC

这个我们一般是这么考虑

就是我这 γ 是选 20%

还是 10% 还是 15% 还是 30%

如果你选择30%

是比你前面 EMI 滤波器

你要把这个差模量要进行滤波是吧

X 电容可能要选的比较大

然后或者是要加一个差模电感

也就是必须把它滤掉

否则的话你电网里面进来的差模的

EMI 会有问题

那么如果你选的 5% 是吧

就假设这个 γ是 5%

那你可能不怎么滤它就够了

EMI 那个差模的部分解决掉了

那缺点是什么呢

5% 你当然需要电感量很大对不对

那么这个时候成本就增加了

其实这是一个折中

没有绝对的好和坏

所以说完全按照你自己的喜好

所以说你如果说把这个电感量选大了

那你 EMC 那边就比较简单一点

就是那个差模的干扰就比较简单对吧

那么相反呢

你那个这个选大了之后呢

简单那个成本就会增加是吧

电感量就会做大

那么电感你又不想做那么大

你电感做的比较小

电感量比较小

那么你前面滤波器的压力就会加大

实际上是这么一个关系

那么有一点呢我要提醒大家

就是说有很多工程师就是注重在前面

就忘了后面注重后面就忘了前面

也考虑问题很少去考虑这种综合的考虑

什么意思呢

在设计 PFC 的时候它要强调的成本

我尽量把电感量缩小

我的这个场效应管或者 IGBT

我是承受得了的没问题的

所以纹波做得非常得大

做得非常大呢他又不加以滤波

就是说在电感的前面

它可能是一般是有 X 电容

或者是有这个薄膜电容的

或者是有这个薄膜电容的

那么也就是这些纹波尽量从电网里面拿出来

而不要从电源线上拿出来

从电源线上拿出来就产生了干扰对吧

产生了 EMI 的问题

那么他说

那我也可以在电源线进去之后

我还有别的 X 电容

我可能两级滤波几级滤波

那么我在那里头拉也是可以吗

当然是可以的

问题是什么呢

就是你前面有 EMI 的共模的线圈对不对

所以说你这个差模的信号

高频的大电流信号呢

你通过共模线圈去跑

那共模线圈里面

就人为地叠加了一个高频的差模的大电流

那这个时候呢实际上对

共模线圈的损耗会造成威胁

那它损耗也加大了

发热就上去，对不对

电流越大了，它很容易饱和

所以说实际上呢

EMI 效果就会非常地显著的下降

所以这是一个平衡问题

比如说讲到这呢就多讲一点

那么后面呢 EMI 的问题可能会

我们会提到一些怎么去解决这些问题

但是所以我提醒大家

就是选择这个 γ 的大和小

虽然是按照你的喜好去做

但是也不要走的太极端

当然有的工程师可以有人说就是为了极端

为什么呢

因为我极端了之后

可以产生很多别的好的效果

只有那个坏处呢

我在哪个地方是可以忍受的

那你这样的设计也是非常独到非常棒

那么比如说我举个简单例子

就是我时常会把 CRM 这个电路拿来做大功率

那 CRM 那个纹波就非常的大对不对

那我即便是做了 interleave

就是交错并联的

它纹波其实也是很大的

那么但是呢

我选了这么大了之后呢

我可以把后面的那个

做软开关啦

做成那个快恢复的那个二极管

基本上就没有快恢复效应啦等等

把这些好处呢把它利用起来

然后把压力呢交到一部分

用 EMI 滤波器去解决

那这也是一个办法

就走到另外一个极端的时候呢

我可能选择这个电感都会变化了

整个电感就完全采用另外一种思路来设计

可以把电感设计得非常的便宜

效率做得非常的高

那么压力呢

有一部分是转交给 EMI 滤波器那部分

那么那一部分呢

我可能加一个差模的小电感对吧

那么等等

和做一些改进

那么调解了一个非常好的综合的这种平衡

那么就可以设计出一个非常有竞争力

非常独特而且高效的这种 PFC 的电路

所以这也是一种取舍

所以说总之呢

只要我们脑袋里面非常清楚你要什么

哪些地方会产生问题

那么在哪个地方我可以解决这个问题

那么你那些怪怪的想法

可能都是非常棒的创新

所以我觉得我们最重要的还是要理解

我们最基本的这些概念

那么我们还是要关注

我想要什么和不想要什么

好

CCM 的 PFC 电路的设计呢

其实就像我们现在看到的这样

非常的简单

也没有什么太复杂的深奥的原因

只是我们要把它基本概念

在脑袋里面弄得非常清晰

那么这么去计算就可以了

那么这一讲呢我们就到这为止

谢谢大家

下面呢我们总结一下

总结一下呢

其实我刚才讲的

其实我们做 PFC 的

比如说单路的连续模式的 PFC 电路设计呢

我们最关心的是什么

就是说这个电感量

在最大的 Ipk 就是峰值

在这个顶点上

在这个位置的顶点上

这个电感量需要多少

这是我们想知道

那么第二个呢

这个顶点到底是多少电流

这个顶点到底是多少电流

然后呢即便是知道它了之后呢

因为我必须要输出很大的功率

在很大功率的时候呢

我跑过这个电感线圈的时候的有效值是多少

其实我们首先是想知道这三个量

那至于这个电感量由什么来决定呢

好，我们看这个公式

这个呢是平均值

比如说 iamp，这是表示平均值

就是这个峰值

就这一点叫作

就这一点叫做 iamp

就是把它平均值了

最大的点的平均值

这个 P 是 peak 的意思

就是 am 是表示幅值

那么这一点呢，是最大的电压

我们再取这一

还是取这一点

把这个波形给它放大

那么我们会得到这么一个关系式

我们首先是这一点的电流是多少

我刚才讲的

按输入功率来算是吧

那么可以得到这么一个关系是不是

这个 VAC 是等于说

比如说 220 就是 220V 是吧

那么在这种情况下得到这个关系

也就是说这条线呢

在这个点我们是

电流是通过功率算出来的

电流是通过功率算出来的

那么电压呢

当然就是我们的幅值电压了

这是有效值乘上根号二了

那么这个呢

是我们算这一个点的占空比是吧

我们前面那个讲过

这个占空比是通过这个来推导出来是吧

好

那这个呢是我们的 △i 是多少是吧

这是 △i

都是我们上一个 PPT 讲过的

就是前面的 PPT 的这意思

那问题是我们不知道电感量我选多少合适

那我们引入了这个 γ 这个概念

γ 是什么呢看这个图

我们假设这条线

蓝的这个圆弧形的线

是指这里头这个红的线

就是说它的平均值

或者是它这个电流的有效值

不是真正的有效值了

是这个低频的一个有效值

就是这个轨迹

那么我们最关注的是什么呢

就是我设计

我们设计 PFC 的时候最关注的是什么

关注的是我的纹波不要太大对不对

纹波如果是可以足够大

那电感量就很小

那纹波大了之后呢

会出现什么后果呢

就是一个我们的管子的峰值电流就大了

这是一方面

会引起损耗的问题

或者选择管子会选择很大

第二个问题是什么呢

就是这个纹波的电流呢

实际上是从电源线上拉进来的

我前面可能有 EMI 滤波器对不对

那 EMI 滤波器干什么呢

就是想把这个纹波给去掉

因为这个纹波频率很高

比如说我们用 20k 的频率

虽然 20k 对 EMI 不产生什么关系

但是你的高频分量肯定是存在的对不对

高频分量你进到 150k 以上

就变成了传导的干扰对不对

所以说我们传导干扰呢

无论是差模的共模的都是要抑制掉的

那么也就是说

我们不希望把这个纹波做的太大

太大的话呢

那个 EMI 滤波器如果滤不干净

那就变成了差模的传导干扰

所以说呢我们实际上做 PFC

就是要控制这个纹波不要太大

那我们用什么方法来表征呢

就用这个 γ

γ 是什么呢

就是我这个峰峰值对吧

除以这一点的

这个顶点的这个有效值的幅值

或者是平均值

这个顶点的平均值

那么把这个参数呢定义成 γ

所以说这个是跟我们什么相关

跟我们 EMC 相关的

如果它太大了

我们 EMC 滤波器

可能就要做的比较复杂，对不对

那么要么就是你那个

最起码差模干扰可能就搞不定

就有这个问题

所以说这一块呢

是跟我们 EMC 相关

所以说一定要对 △i 呢

并不是要做得很大

所以说由这个来决定

我们这个电感要选多少

实际上是这么概念

好

那么刚才也讲过了

电感流过电感的有效值

那就是开根号对吧

这个是平均值的平方

这是低频的分量

加上高频分量的平方是吧

然后这个是这样

那么我们实际上呢

做 PFC 的设计呢

我们就是要先推导一下之后呢

要得出这些概念

就是一个是占空比是多少

通过占空比呢

我们算出来这个需要的电感量是多少

怎么算呢

刚才说了半天其实没有算对不对

那么我们一般有经验

比如说我做个 3kW 的 PFC

或者一个 1kW 的 PFC

这个我们一般是这么考虑

就是我这 γ 是选 20%

还是 10% 还是 15% 还是 30%

如果你选择30%

是比你前面 EMI 滤波器

你要把这个差模量要进行滤波是吧

X 电容可能要选的比较大

然后或者是要加一个差模电感

也就是必须把它滤掉

否则的话你电网里面进来的差模的

EMI 会有问题

那么如果你选的 5% 是吧

就假设这个 γ是 5%

那你可能不怎么滤它就够了

EMI 那个差模的部分解决掉了

那缺点是什么呢

5% 你当然需要电感量很大对不对

那么这个时候成本就增加了

其实这是一个折中

没有绝对的好和坏

所以说完全按照你自己的喜好

所以说你如果说把这个电感量选大了

那你 EMC 那边就比较简单一点

就是那个差模的干扰就比较简单对吧

那么相反呢

你那个这个选大了之后呢

简单那个成本就会增加是吧

电感量就会做大

那么电感你又不想做那么大

你电感做的比较小

电感量比较小

那么你前面滤波器的压力就会加大

实际上是这么一个关系

那么有一点呢我要提醒大家

就是说有很多工程师就是注重在前面

就忘了后面注重后面就忘了前面

也考虑问题很少去考虑这种综合的考虑

什么意思呢

在设计 PFC 的时候它要强调的成本

我尽量把电感量缩小

我的这个场效应管或者 IGBT

我是承受得了的没问题的

所以纹波做得非常得大

做得非常大呢他又不加以滤波

就是说在电感的前面

它可能是一般是有 X 电容

或者是有这个薄膜电容的

或者是有这个薄膜电容的

那么也就是这些纹波尽量从电网里面拿出来

而不要从电源线上拿出来

从电源线上拿出来就产生了干扰对吧

产生了 EMI 的问题

那么他说

那我也可以在电源线进去之后

我还有别的 X 电容

我可能两级滤波几级滤波

那么我在那里头拉也是可以吗

当然是可以的

问题是什么呢

就是你前面有 EMI 的共模的线圈对不对

所以说你这个差模的信号

高频的大电流信号呢

你通过共模线圈去跑

那共模线圈里面

就人为地叠加了一个高频的差模的大电流

那这个时候呢实际上对

共模线圈的损耗会造成威胁

那它损耗也加大了

发热就上去，对不对

电流越大了，它很容易饱和

所以说实际上呢

EMI 效果就会非常地显著的下降

所以这是一个平衡问题

比如说讲到这呢就多讲一点

那么后面呢 EMI 的问题可能会

我们会提到一些怎么去解决这些问题

但是所以我提醒大家

就是选择这个 γ 的大和小

虽然是按照你的喜好去做

但是也不要走的太极端

当然有的工程师可以有人说就是为了极端

为什么呢

因为我极端了之后

可以产生很多别的好的效果

只有那个坏处呢

我在哪个地方是可以忍受的

那你这样的设计也是非常独到非常棒

那么比如说我举个简单例子

就是我时常会把 CRM 这个电路拿来做大功率

那 CRM 那个纹波就非常的大对不对

那我即便是做了 interleave

就是交错并联的

它纹波其实也是很大的

那么但是呢

我选了这么大了之后呢

我可以把后面的那个

做软开关啦

做成那个快恢复的那个二极管

基本上就没有快恢复效应啦等等

把这些好处呢把它利用起来

然后把压力呢交到一部分

用 EMI 滤波器去解决

那这也是一个办法

就走到另外一个极端的时候呢

我可能选择这个电感都会变化了

整个电感就完全采用另外一种思路来设计

可以把电感设计得非常的便宜

效率做得非常的高

那么压力呢

有一部分是转交给 EMI 滤波器那部分

那么那一部分呢

我可能加一个差模的小电感对吧

那么等等

和做一些改进

那么调解了一个非常好的综合的这种平衡

那么就可以设计出一个非常有竞争力

非常独特而且高效的这种 PFC 的电路

所以这也是一种取舍

所以说总之呢

只要我们脑袋里面非常清楚你要什么

哪些地方会产生问题

那么在哪个地方我可以解决这个问题

那么你那些怪怪的想法

可能都是非常棒的创新

所以我觉得我们最重要的还是要理解

我们最基本的这些概念

那么我们还是要关注

我想要什么和不想要什么

好

CCM 的 PFC 电路的设计呢

其实就像我们现在看到的这样

非常的简单

也没有什么太复杂的深奥的原因

只是我们要把它基本概念

在脑袋里面弄得非常清晰

那么这么去计算就可以了

那么这一讲呢我们就到这为止

谢谢大家