PFC电源设计与电感设计计算(八) -高性价比大功率CRM Interleave PFC设计实例(1) 8A

各位的电源工程师

大家好，我是邵革良

从这一讲开始

我会给大家介绍

有关 PFC 电源设计的

一些高级设计的一些手法

和高级设计的一些知识

那么这一讲呢

我们主要讲

介绍一个实际的例子

就是高性价比大功率的用临界模式

作为交错并联的 PFC 的这样一个例子

那么这是一个非常创新性的

一个 PFC 的设计实例

所以说我想通过这个创新性的这个思想

这个设计的方法

那么给大家提供一种

有关高性价比的产品的设计思路

这是一个我们实际测试的一个结果

就是这个波形啊

右边这个波形

我们看左边

让它工作在临界模式

所以说呢我们这个两路的电感

这个交错式并联的

那么一个绿颜色，还是一个红颜色

分别它们

是分别的电流波形

那么它叠加之后呢

就相当于这样一个叠加的波形

这只是个示意

但实际上可能这地方的纹波会变得更大

但实际上可能这地方的纹波会变得更大

那这是我们的输入电压

大概是这么一个思路

那么我们采用了一个磁集成电感

就是说用一套这个磁芯菱形的

这个磁芯块里面做两个电感

这个磁芯块里面做两个电感

而这两个电感呢

又是互相独立

完全不耦合

就是互相不干扰工作的

那么后面呢，我会介绍

它为什么是能够独立而不干扰工作

那么按照这样的一个磁集成电感

我们把它做一个 3kW 功率的一个 PFC

那这是一个实际的工作的波形

就是工作在 3kW 的情况下

那这当初呢

这一个电感呢

我们是选择大概是80多个 uH 这样

八九十个 uH

那么好

我们从这个波形可以看到

前面我讲临界模式呢

我们有一个基本的出发点

就是必须让我们的 PFC 的

闭环反馈响应速度啊要很慢

它的带宽呢

要低于我们 50Hz 整流之后

100Hz 这个频率的大概的 1/10

对吧

也就是 10Hz 这样

或者更低一点的频率

或者更低一点的频率

3到 5Hz 或者 10Hz

那么它这个响应速度越慢的情况下呢

也就是完全可以实现

就是我们整个这个半个周期

就是正弦波里面

导通时间 Ton

这个 Ton 都是要固定起来

固定在某一个值上

只要它固定在某个值上

那么我们随着输入电压这个

正弦波这么往上爬的过程中呢

那么得到的电流波形

现在这个绿颜色的波形啊

是场效应管导通的时候的电流波形

就是底下放大了啊

就是底下放大了啊

这个是中间这个地方拿过来

把底下放大

对吧

那么这个电流波形呢

就是斜的往上升了

那么这样的话呢

这个波形的轨迹

也就是这个峰值的轨迹

完全按照输入电压

作为正弦波来跑

所以它非常漂亮啊

看上去非常的不错

那么实际上呢电感的波形是什么样呢

电感波形是看下面

实际上我们这是导通的时候的 turn on

是吧

Ton 的时候的这个点

场效应管的电流波形

那关闭的时候呢它要续流

对吧

续流的时候呢，就会走这条线

这个点线，红色的点线

那么一直续到底的时候呢

在这个地方呢就到零了

对吧

到零了开始进入下一个周期

就是开始上管导通

所以它是

这个二极管的电流波形是这样下来

那么二极管的电流波形

加上这个场效应管的电流波形

组成的是个三角波

那就是我们的单个电感的电流波形

那么是这样的

好

那我们再仔细看

它有几个特点

我们这个地方就是说它频率，你看

你看最高的频率将近 100k 是吧

你看最高的频率将近 100k 是吧

98k 左右，98.9k

就是 100k

最低的频率呢

39.5k 是吧

那我们仔细去看

什么地方是发生最高频率

什么情况发生最低频率

那么我们看到

这个最低的频率

我们前面讲到了电压最高的时候

一定是最低频率

所以说我们把这部分取出来的时候呢

恰好是这个 40k 的频率

就是这个频率

那么最高的频率呢

其实呢

我们发现恰恰是在这一带

既不在这底下

也不在上面

按道理呢越低频率越高

但是这底下为什么不是这条呢

最高频率呢

其实我们的驱动的时候有延时

有一些其它的原因

所以在这个地方呢

还相反它不是

电压又很低

相反呢它进入不连续状态

它有这种可能

并不是完全是连续状态

所以说它这个频率呢并不是最高

那么最高实际上在这个位置

刚好是不连续和连续的这个临界这个地方

后面就有点不连续了

后面就有点不连续了

然后呢

然后我们再看这个波形

这就是一个典型的

那个就是说

ZVS 嘛，这有点像 ZVS

就是说它实际上像反激电源一样

我们就是准谐振的模式

就说这地方呢掉下来

掉下来实际上是什么

实际上是这个电感

跟它那个场效应管的寄生电容

产生一个振荡是吧

那么这个能量呢

由于这个电感的续流呢

把它这个就是这个地方它一直续流

续流的时候呢电感会往外抽

这个电压掉到最低的时候

那么这个电压这个地方呢

实际上是零

实际上是零

掉到最低

实际上我们加在那个电感

两端的电压是多少

两端的电压是多少

我们电感两端呢

如果说不工作的时候呢

这个电压是在这个位置

300多 V 是吧

然后呢它上面呢

是等于是我们这一部分

就是电压高的时候是什么

是输出电压减去输入电压

下面这一部分呢它掉下来

实际上它是关闭了之后是一种谐振

所以它的幅值正好是跟上下一样

那掉到这个地方的时候呢

它就有电流就要回头了

它就有电流就要回头了

所以是在零电流

那么如果继续下去呢

电流实际上是有点负的

就是有点反过来

二极管

就是场效应管那个寄生二极管

就会有点续流的那种状态

就进到这个地方

在这个时候呢电压比较低

所以这地方再打开的时候呢

开关损耗就非常的小

那么关闭的时候呢

由于它关闭的比较快

由于它关闭的比较快

所以说电压没怎么爬上去的时候呢

马上就关闭

所以这部分呢取决于我们布线和驱动

这是可以调整的非常漂亮

所以从这个波形来看呢

是非常的理想非常的棒

那么干扰也非常的小

那这个是大家给大家一个印象

并不是一定做的走势一模一样

好，那么我们来分析这个临界模式

做大功率怎么去考虑的

为什么要考虑到临界模式的大功率

其实呢

我们看 CRM 的这个优点和缺点

我们 CRM 呢，它的优点是这样的

第一个就是这个场效应管的零电流开通

对吧

电流等于0

或者反向有个小电流的时候

我们把场效应管导通它了

所以说这个电流基本上是零电流开通

那还有一个优点是

二极管没有快恢复的特性

没有恢复电流

为什么呢

因为这个电流已经到零了嘛是吧

这个电流是往上续流

续流到没有它自动的会反过来是吧

这个电压会自动的会调高这个地方

因为它毕竟有些漏感嘛对吧

那么继续续流的话

这个电压呢是往下掉的

掉到很低对吧

当然没有没有完全到零

那么实际上呢自动的就给它

把这个反过来的二极管

它自动地去开始就是反过来充电

就是这地方寄生电容就反过来充电

这个过程呢是一个自动的过程

不是说我们强制的

所以说呢，它没有快恢复电流

然后下面一个呢，就是说场效应管呢

低电压开通

刚才讲的哈

刚才讲的哈

就是两倍的输入电压减去 VO 这个点上

我们打通这个场效应管

所以说这个电压非常低

所以说这个时候呢

EMI 的影响就非常小

这个电压的变化率啊

因为电压掉下去了嘛

所以电压变化率就比较低

所以这 EMI 都非常有利

那么当然也可以

对开关损耗也非常有利

因为这时候电流也没有是吧

那么还有一个呢电感量小

什么叫电感量小呢

因为我们电量大的时候啊

它频率就会很低嘛是不是

因为它是从零开始跑到顶

再掉下来的是吧

所以说呢，这个时候呢

工作在 CRM 模式的时候

同样的功率的时候

电感量需要的是非常小的

所以说电感量小

这是它的特点

就是它不需要很大的电感量

所以说这是它优点

那么这些结合这些优点呢

它会产生一些什么样的效果呢

就是刚才讲的

首先是 EMC 的兼容性非常好

对吧

对吧

因为没有快恢复特性是不是

那么电压呢变化的率也不大是吧

那电流的变化率也不是很大

所以说呢，它这个 EMC 的关系特别的好

另外一个呢

开关损耗下降

会比较降得比较低

然后二极管呢

所谓的低成本

什么低成本

因为这地方不需要很快速度的二极管

对不对

所以说二极管呢，也要求并不高

不需要什么碳化硅二极管之类的

不需要的啊

那么这个时候呢

它一样

只要导通压降比较低

它可以做到一个非常高的效率

所以说这个二极管是很廉价

非常廉价

然后呢这地方就是这样的低损耗

所谓的低损耗啊

因为它高频损耗很小

然后呢，VF 呢

决定了它的损耗

所以说 VF 可以选的比较低

那么管子也比较便宜

所以说它的损耗会比较低

然后电感成本低

因为电感量小了嘛

自然成本就比较低

所以说这都是它的好的一面

各位的电源工程师

大家好，我是邵革良

从这一讲开始

我会给大家介绍

有关 PFC 电源设计的

一些高级设计的一些手法

和高级设计的一些知识

那么这一讲呢

我们主要讲

介绍一个实际的例子

就是高性价比大功率的用临界模式

作为交错并联的 PFC 的这样一个例子

那么这是一个非常创新性的

一个 PFC 的设计实例

所以说我想通过这个创新性的这个思想

这个设计的方法

那么给大家提供一种

有关高性价比的产品的设计思路

这是一个我们实际测试的一个结果

就是这个波形啊

右边这个波形

我们看左边

让它工作在临界模式

所以说呢我们这个两路的电感

这个交错式并联的

那么一个绿颜色，还是一个红颜色

分别它们

是分别的电流波形

那么它叠加之后呢

就相当于这样一个叠加的波形

这只是个示意

但实际上可能这地方的纹波会变得更大

但实际上可能这地方的纹波会变得更大

那这是我们的输入电压

大概是这么一个思路

那么我们采用了一个磁集成电感

就是说用一套这个磁芯菱形的

这个磁芯块里面做两个电感

这个磁芯块里面做两个电感

而这两个电感呢

又是互相独立

完全不耦合

就是互相不干扰工作的

那么后面呢，我会介绍

它为什么是能够独立而不干扰工作

那么按照这样的一个磁集成电感

我们把它做一个 3kW 功率的一个 PFC

那这是一个实际的工作的波形

就是工作在 3kW 的情况下

那这当初呢

这一个电感呢

我们是选择大概是80多个 uH 这样

八九十个 uH

那么好

我们从这个波形可以看到

前面我讲临界模式呢

我们有一个基本的出发点

就是必须让我们的 PFC 的

闭环反馈响应速度啊要很慢

它的带宽呢

要低于我们 50Hz 整流之后

100Hz 这个频率的大概的 1/10

对吧

也就是 10Hz 这样

或者更低一点的频率

或者更低一点的频率

3到 5Hz 或者 10Hz

那么它这个响应速度越慢的情况下呢

也就是完全可以实现

就是我们整个这个半个周期

就是正弦波里面

导通时间 Ton

这个 Ton 都是要固定起来

固定在某一个值上

只要它固定在某个值上

那么我们随着输入电压这个

正弦波这么往上爬的过程中呢

那么得到的电流波形

现在这个绿颜色的波形啊

是场效应管导通的时候的电流波形

就是底下放大了啊

就是底下放大了啊

这个是中间这个地方拿过来

把底下放大

对吧

那么这个电流波形呢

就是斜的往上升了

那么这样的话呢

这个波形的轨迹

也就是这个峰值的轨迹

完全按照输入电压

作为正弦波来跑

所以它非常漂亮啊

看上去非常的不错

那么实际上呢电感的波形是什么样呢

电感波形是看下面

实际上我们这是导通的时候的 turn on

是吧

Ton 的时候的这个点

场效应管的电流波形

那关闭的时候呢它要续流

对吧

续流的时候呢，就会走这条线

这个点线，红色的点线

那么一直续到底的时候呢

在这个地方呢就到零了

对吧

到零了开始进入下一个周期

就是开始上管导通

所以它是

这个二极管的电流波形是这样下来

那么二极管的电流波形

加上这个场效应管的电流波形

组成的是个三角波

那就是我们的单个电感的电流波形

那么是这样的

好

那我们再仔细看

它有几个特点

我们这个地方就是说它频率，你看

你看最高的频率将近 100k 是吧

你看最高的频率将近 100k 是吧

98k 左右，98.9k

就是 100k

最低的频率呢

39.5k 是吧

那我们仔细去看

什么地方是发生最高频率

什么情况发生最低频率

那么我们看到

这个最低的频率

我们前面讲到了电压最高的时候

一定是最低频率

所以说我们把这部分取出来的时候呢

恰好是这个 40k 的频率

就是这个频率

那么最高的频率呢

其实呢

我们发现恰恰是在这一带

既不在这底下

也不在上面

按道理呢越低频率越高

但是这底下为什么不是这条呢

最高频率呢

其实我们的驱动的时候有延时

有一些其它的原因

所以在这个地方呢

还相反它不是

电压又很低

相反呢它进入不连续状态

它有这种可能

并不是完全是连续状态

所以说它这个频率呢并不是最高

那么最高实际上在这个位置

刚好是不连续和连续的这个临界这个地方

后面就有点不连续了

后面就有点不连续了

然后呢

然后我们再看这个波形

这就是一个典型的

那个就是说

ZVS 嘛，这有点像 ZVS

就是说它实际上像反激电源一样

我们就是准谐振的模式

就说这地方呢掉下来

掉下来实际上是什么

实际上是这个电感

跟它那个场效应管的寄生电容

产生一个振荡是吧

那么这个能量呢

由于这个电感的续流呢

把它这个就是这个地方它一直续流

续流的时候呢电感会往外抽

这个电压掉到最低的时候

那么这个电压这个地方呢

实际上是零

实际上是零

掉到最低

实际上我们加在那个电感

两端的电压是多少

两端的电压是多少

我们电感两端呢

如果说不工作的时候呢

这个电压是在这个位置

300多 V 是吧

然后呢它上面呢

是等于是我们这一部分

就是电压高的时候是什么

是输出电压减去输入电压

下面这一部分呢它掉下来

实际上它是关闭了之后是一种谐振

所以它的幅值正好是跟上下一样

那掉到这个地方的时候呢

它就有电流就要回头了

它就有电流就要回头了

所以是在零电流

那么如果继续下去呢

电流实际上是有点负的

就是有点反过来

二极管

就是场效应管那个寄生二极管

就会有点续流的那种状态

就进到这个地方

在这个时候呢电压比较低

所以这地方再打开的时候呢

开关损耗就非常的小

那么关闭的时候呢

由于它关闭的比较快

由于它关闭的比较快

所以说电压没怎么爬上去的时候呢

马上就关闭

所以这部分呢取决于我们布线和驱动

这是可以调整的非常漂亮

所以从这个波形来看呢

是非常的理想非常的棒

那么干扰也非常的小

那这个是大家给大家一个印象

并不是一定做的走势一模一样

好，那么我们来分析这个临界模式

做大功率怎么去考虑的

为什么要考虑到临界模式的大功率

其实呢

我们看 CRM 的这个优点和缺点

我们 CRM 呢，它的优点是这样的

第一个就是这个场效应管的零电流开通

对吧

电流等于0

或者反向有个小电流的时候

我们把场效应管导通它了

所以说这个电流基本上是零电流开通

那还有一个优点是

二极管没有快恢复的特性

没有恢复电流

为什么呢

因为这个电流已经到零了嘛是吧

这个电流是往上续流

续流到没有它自动的会反过来是吧

这个电压会自动的会调高这个地方

因为它毕竟有些漏感嘛对吧

那么继续续流的话

这个电压呢是往下掉的

掉到很低对吧

当然没有没有完全到零

那么实际上呢自动的就给它

把这个反过来的二极管

它自动地去开始就是反过来充电

就是这地方寄生电容就反过来充电

这个过程呢是一个自动的过程

不是说我们强制的

所以说呢，它没有快恢复电流

然后下面一个呢，就是说场效应管呢

低电压开通

刚才讲的哈

刚才讲的哈

就是两倍的输入电压减去 VO 这个点上

我们打通这个场效应管

所以说这个电压非常低

所以说这个时候呢

EMI 的影响就非常小

这个电压的变化率啊

因为电压掉下去了嘛

所以电压变化率就比较低

所以这 EMI 都非常有利

那么当然也可以

对开关损耗也非常有利

因为这时候电流也没有是吧

那么还有一个呢电感量小

什么叫电感量小呢

因为我们电量大的时候啊

它频率就会很低嘛是不是

因为它是从零开始跑到顶

再掉下来的是吧

所以说呢，这个时候呢

工作在 CRM 模式的时候

同样的功率的时候

电感量需要的是非常小的

所以说电感量小

这是它的特点

就是它不需要很大的电感量

所以说这是它优点

那么这些结合这些优点呢

它会产生一些什么样的效果呢

就是刚才讲的

首先是 EMC 的兼容性非常好

对吧

对吧

因为没有快恢复特性是不是

那么电压呢变化的率也不大是吧

那电流的变化率也不是很大

所以说呢，它这个 EMC 的关系特别的好

另外一个呢

开关损耗下降

会比较降得比较低

然后二极管呢

所谓的低成本

什么低成本

因为这地方不需要很快速度的二极管

对不对

所以说二极管呢，也要求并不高

不需要什么碳化硅二极管之类的

不需要的啊

那么这个时候呢

它一样

只要导通压降比较低

它可以做到一个非常高的效率

所以说这个二极管是很廉价

非常廉价

然后呢这地方就是这样的低损耗

所谓的低损耗啊

因为它高频损耗很小

然后呢，VF 呢

决定了它的损耗

所以说 VF 可以选的比较低

那么管子也比较便宜

所以说它的损耗会比较低

然后电感成本低

因为电感量小了嘛

自然成本就比较低

所以说这都是它的好的一面