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(2) 8B

那不好的一面是什么呢

我们看这个

就是它的缺点是

器件的峰值电流很大

刚才讲了哈

从零开始爬到顶对不对

所以说这个我们一个 3kW 的功率的 PFC

220输入，输出是380

3kW 功率的 PFC

那么这个时候呢，做成临界的

我们做双路的交错并联

那么峰值电流这个能跑到多少

能跑到20个 A 去，对吧

这是一路对不对

那如做单路啊那就没法想象了

就非常高了哈

就30多个 A

可能是有这么多

具体我没去算过

那么实际上双路的呢

都能跑到 20A 去

那我们选管子肯定要选

比 20A 大的电流的管子是吧

比如说 600V 30A 这样的管子对吧

那好在呢它并不是一个梯形波

所以它的导通损耗并不是特别厉害

虽然这个很高是吧

那么它积分起来并不是特别厉害

因为它三角形的这个面积不是很大

所以说这是它一个峰值电流大

这个一个缺点

另外一个呢

就是输入的纹波电流大

这个不用说的啊

这两个大纹波的叠加

如果占空比不是 50% 的

它不会为零对不对

那么越到那个我们输入电压就是 220 的峰值

就 310 的那个地方啊

占空比比较小

比较小的时候叠加之后呢

实际上它互相取消的部分并不多

所以这个时候呢

你就会发现有很大的高频的纹波

那这个纹波呢

我们对 EMI

输入的 EMI 或者有很大的影响

就是差模干扰就会比较厉害

所以说一般来讲

我们做滤波器呢

可能会要搞两级滤波

一级是共模

一级是差模

就是加一个小电感做一个滤波

那么这是它的纹波大的一个坏处

那么还有呢就是它成本会比较高

因为刚才讲的

那个频率从一百多 k 是吧

跑到几十 k

那么频率很高

我们往往呢

就大功率的时候很难用 IGBT 来工作对吧

都是用场效应管

那我们知道

比如说一个 30A 600V 的管子

TO247 的封装是吧

或者是 40A 600V 的管子

那基本上是几个美金的 IGBT 对不对

场效应管是不是

场效应管肯定是至少是两个美金以上的

就比较贵

如果说相反

这个这种功率的 IGBT 单管呢

可能只有零点几个美金，对不对

就非常便宜

所以说跟 IGBT 的电路来比呢

它就会成本偏高

所以说这也是我们做大功率

不用这种 CRM 的一个很重要的一个原因

就是被这几个所限制

但是如果是这几个问题我能解决

而且能低成本地去解决

那么它就会变得利用了这些好处，是吧

那么就会得到一个非常棒的一个电路

这就是我们用它做 3kW PFC 的一个初衷

就是原始的设想

那我们怎么去解决它呢

下面有几个手段

第一个手段呢

用交错并联来改善纹波

用交错并联来改善纹波

这个刚才讲的这个交错并联改善纹波

虽然呢，在那个 220V 的输入

那个 310V 那个顶点上呢

纹波改善得并不多

但是其他地方呢

会大幅度的改善

那么针对那个顶点

我们再加一下差模的滤波

我们再加一下差模的滤波

用一个比较小的电感滤波

那这个问题呢还是比较容易解决

所以说可以用交错并联的方法

这是来解决它

那第二个呢

用一个 Spike Blocker 这种技术

以前呢我们一直讲过

这 Spike Blocker 技术什么意思呢

这 Spike Blocker 技术什么意思呢

就说到底就是说

把我们的那些毛刺啊

就是这个电感的这个拐角的地方

无论是顶点还是低点里面

无论是顶点还是低点里面

就是说无论是这个管子的开通和关断一瞬间

就是这个电感啊

因为由于它有寄生电容嘛

所以它会在这个地方进行充电或放电

会产生很多的高频振荡

这是我们电感本身

作为一个 EMI 干扰源的一个重要源泉

会出现的

那么我们对电感呢

进行这方面的技术的处理

让它这个毛刺呢

几乎是完全没有毛刺

看不到毛刺

那么对 EMI 会做了一个很好的消除

就是这是一个非常重要的因素

如果说不是这样的话呢

那即便是我刚才讲的有这么好的好处

这个电感本身有寄生电容的

所以它毛刺也是很厉害的

EMI 也是很糟糕的

就是即便是 CRM 也是很糟糕的

然后呢

最关键的是下面这个东西

就是我还是想把这个场效应管替换掉

用 IGBT 来干，对吧

那 IGBT 我们知道

这么大电流的时候

开到 40k 以上 30k 以上

开到 40k 以上 30k 以上

40k 以上

我关闭的损耗

就是它有拖尾效应嘛

所以说关断的时候会非常的大

所以一般情况下 IGBT

是很难在这里头使用的

那么我们可以用一个技术

就是优化这个 L-I 的这个曲线

那么让它呢

始终保持着最大电流的时候

始终保持 IGBT 工作在 30k 左右的频率

所以这样的话 IGBT 呢

就不会因为关闭的损耗太大而导致过热

如果能实现这个突破的话

那么我们把场效应管换成 IGBT

那么 EMI 又是很好的

所以说呢，这样的话呢

我们整个产品的优点

就会有非常明显的就是发挥出来

当然呢

发挥了这个产品之后

除了刚才讲的电感的电感量比较小

成本比较低以外

即便是那样

我们还希望继续挖掘

那么继续挖掘什么呢

就是做一个磁集成的电感

让它大功率

就是更加大功率和低成本化

所以这都是我们一些对策

那么采用了这些对策

把刚才的概念发挥出来

就是用这个 IGBT

来做这个大功率的 PFC

而且是 CRM 的

能把电磁兼容的问题好好解决掉

那么这样的话呢

可能会产生一个不错的一个产品

好

那我再介绍一下

那我再介绍一下

就是说我们怎么去做磁集成

那么这一个呢

这地方是一个原理

是一个非常简单的一个磁集成原理

实际上就是说我们把一套磁心里面

做两个独立的电感

那么做成了这种形式

那么这种形式是什么呢

就是说我这边是一个绕线线圈的一个磁芯柱

那这边呢又是一个

就是两个线圈分别左边右边各一个

那我们从这个原理上来看

就是说我假设这是一个铁氧体的磁芯

相当于 E 形的铁芯

对吧，磁芯

我们呢，把中间这个地方呢

紧密地联系上

让它没有气隙

这条路

这个地方呢，开上比较大的气隙

因为我们做电感嘛

对铁氧体很容易饱和的

所以必须要开比较大的气隙

那开了比较大的气隙呢它就

能够做出大电流的时候电感量

比如说我刚才讲的

比如说我刚才讲的

至少峰值电流 20A 嘛，是吧

那么绕了这些线圈的时候

20A 跑过去

这个地方至少要个 90uH

或者 100uH 以上的电感嘛，对不对

那么要达到这个电感的时候呢

这个气隙是比较大的

因为我们这个铁氧体呢

是高导磁的

导磁率是几千的，对吧

相对导磁率在几千以上

所以说呢那磁通比较小的

好

那么我这边开了气隙之后呢

那么我绕线呢

就按现在图示这个方向来绕，对吧

电流呢，I1

也是这边是正极

这边流进去，对吧

这么流出来

那么它会产生一个磁通，是吧

磁通呢，它是从这地方往上走

方向就是这样转圈，对吧

然后这边呢，也会产生一个磁通

按这个方向走

它会倒过来这么转出来

然后呢在中间这个磁路上呢

是互相方向相反的

也就是在这个地方

如果说同时各出现的话

它是互相抵消的

那么为什么我们讲

它是互相不干扰呢

其实你说他为什么不往这儿流啊

如果这个线圈产生的磁通

它不单是往中间流

它又往另外一个线圈里面流的时候

那么它就互相产生了干扰

那我们这个原理是不会产生的

道理是非常的简单

因为我们开的气隙非常大

也就是说这个地方呢

产生很大的磁阻

就是磁阻非常大

那这个铁氧体部分磁阻是非常小的

那么这地方又是有很大的

那我们举个比例说

假设我铁氧体部分的磁阻呢

相当于 1Ω

比如说一个单位体积，对吧

1Ω

那这个呢

一个单位体积呢

可能是 1M，对不对

那 1M 就是一百万倍

那我不说 1M

就是要是 1k 吧，也是一千倍

对不对

那就是说，我这个呢

产生的磁通呢

是它自己产生，它必须有的

有了之后呢它这个磁通呢

要么往这儿走

同时也往这儿进行分流

那这个地方是 1Ω 的

这地方是 1k 的

那当然1/1000往这跑,对吧

999 往这跑,是这意思吧

那 1/1000 的话呢

我们是示波器都看不到影响了

对不对

所以说呢，因为它影响太小看不到了

所以我们认为它没有影响

实际上是这么个道理

并不是真的完全没有啊

总是有一丁点的

那么从这样的原理呢

因为利用了这个高磁阻的特点

它不会往这儿流

所以它互相是不干扰

互相不干扰，互相不耦合

相反，如果我在这地方开个气隙

对吧，磁阻也很大

那它就是开始分流了嘛，是吧

那它就会进行耦合

那这就是一个耦合的原理

就是我们现在这个电路呢

是进行不耦合的这种设计

所以它是就是这么一个工作的原理

好

那么，产生这个原理之后呢

那么实际上我们在一个磁芯上

就可以做成这样

由于这部分是互相抵消的

很大部分互相叠加的时候

重叠之后它会抵消的

所以说也就是这个面积呢

我们做变压器做电感的时候

往往是 E 形的呢

这个是1，这地方两倍

这地方1，是吧

那按这种方式呢

就没有必要再搞两倍

所以说我现在这一个方案呢

实际上是用了0.45，是吧

这个三角块的面积

那么两个加起来才只有0.9

就是只有它的90%的面积

那么，我们做了仿真

你看最恶劣的一个情况

比如这边是满功率

这边是很小的功率，是吧

那这样的情况下

那么即便是这样的话呢

实际上这个磁芯

你看也是不是发红的

就是离饱和还差得很远

这个磁场的分布情况

所以说，实际上是这个电路

就是这条路呢

就是这条路呢

我们跑了14点几个安倍

这边呢，跑11点几安倍

就是正好交叉的时候

在那地方有重叠的地方

那么这些重叠这部分就非常小

所以说可以这么去做

当然呢，要想做到这一点呢

还是远远不够的

做到这一点呢

我们只能说是利用了一个磁芯

做出磁集成两个电感，对不对

但是呢，这依然是没办法去解决

就是我们把 IGBT 能用的一个原则

那不好的一面是什么呢

我们看这个

就是它的缺点是

器件的峰值电流很大

刚才讲了哈

从零开始爬到顶对不对

所以说这个我们一个 3kW 的功率的 PFC

220输入，输出是380

3kW 功率的 PFC

那么这个时候呢，做成临界的

我们做双路的交错并联

那么峰值电流这个能跑到多少

能跑到20个 A 去，对吧

这是一路对不对

那如做单路啊那就没法想象了

就非常高了哈

就30多个 A

可能是有这么多

具体我没去算过

那么实际上双路的呢

都能跑到 20A 去

那我们选管子肯定要选

比 20A 大的电流的管子是吧

比如说 600V 30A 这样的管子对吧

那好在呢它并不是一个梯形波

所以它的导通损耗并不是特别厉害

虽然这个很高是吧

那么它积分起来并不是特别厉害

因为它三角形的这个面积不是很大

所以说这是它一个峰值电流大

这个一个缺点

另外一个呢

就是输入的纹波电流大

这个不用说的啊

这两个大纹波的叠加

如果占空比不是 50% 的

它不会为零对不对

那么越到那个我们输入电压就是 220 的峰值

就 310 的那个地方啊

占空比比较小

比较小的时候叠加之后呢

实际上它互相取消的部分并不多

所以这个时候呢

你就会发现有很大的高频的纹波

那这个纹波呢

我们对 EMI

输入的 EMI 或者有很大的影响

就是差模干扰就会比较厉害

所以说一般来讲

我们做滤波器呢

可能会要搞两级滤波

一级是共模

一级是差模

就是加一个小电感做一个滤波

那么这是它的纹波大的一个坏处

那么还有呢就是它成本会比较高

因为刚才讲的

那个频率从一百多 k 是吧

跑到几十 k

那么频率很高

我们往往呢

就大功率的时候很难用 IGBT 来工作对吧

都是用场效应管

那我们知道

比如说一个 30A 600V 的管子

TO247 的封装是吧

或者是 40A 600V 的管子

那基本上是几个美金的 IGBT 对不对

场效应管是不是

场效应管肯定是至少是两个美金以上的

就比较贵

如果说相反

这个这种功率的 IGBT 单管呢

可能只有零点几个美金，对不对

就非常便宜

所以说跟 IGBT 的电路来比呢

它就会成本偏高

所以说这也是我们做大功率

不用这种 CRM 的一个很重要的一个原因

就是被这几个所限制

但是如果是这几个问题我能解决

而且能低成本地去解决

那么它就会变得利用了这些好处，是吧

那么就会得到一个非常棒的一个电路

这就是我们用它做 3kW PFC 的一个初衷

就是原始的设想

那我们怎么去解决它呢

下面有几个手段

第一个手段呢

用交错并联来改善纹波

用交错并联来改善纹波

这个刚才讲的这个交错并联改善纹波

虽然呢，在那个 220V 的输入

那个 310V 那个顶点上呢

纹波改善得并不多

但是其他地方呢

会大幅度的改善

那么针对那个顶点

我们再加一下差模的滤波

我们再加一下差模的滤波

用一个比较小的电感滤波

那这个问题呢还是比较容易解决

所以说可以用交错并联的方法

这是来解决它

那第二个呢

用一个 Spike Blocker 这种技术

以前呢我们一直讲过

这 Spike Blocker 技术什么意思呢

这 Spike Blocker 技术什么意思呢

就说到底就是说

把我们的那些毛刺啊

就是这个电感的这个拐角的地方

无论是顶点还是低点里面

无论是顶点还是低点里面

就是说无论是这个管子的开通和关断一瞬间

就是这个电感啊

因为由于它有寄生电容嘛

所以它会在这个地方进行充电或放电

会产生很多的高频振荡

这是我们电感本身

作为一个 EMI 干扰源的一个重要源泉

会出现的

那么我们对电感呢

进行这方面的技术的处理

让它这个毛刺呢

几乎是完全没有毛刺

看不到毛刺

那么对 EMI 会做了一个很好的消除

就是这是一个非常重要的因素

如果说不是这样的话呢

那即便是我刚才讲的有这么好的好处

这个电感本身有寄生电容的

所以它毛刺也是很厉害的

EMI 也是很糟糕的

就是即便是 CRM 也是很糟糕的

然后呢

最关键的是下面这个东西

就是我还是想把这个场效应管替换掉

用 IGBT 来干，对吧

那 IGBT 我们知道

这么大电流的时候

开到 40k 以上 30k 以上

开到 40k 以上 30k 以上

40k 以上

我关闭的损耗

就是它有拖尾效应嘛

所以说关断的时候会非常的大

所以一般情况下 IGBT

是很难在这里头使用的

那么我们可以用一个技术

就是优化这个 L-I 的这个曲线

那么让它呢

始终保持着最大电流的时候

始终保持 IGBT 工作在 30k 左右的频率

所以这样的话 IGBT 呢

就不会因为关闭的损耗太大而导致过热

如果能实现这个突破的话

那么我们把场效应管换成 IGBT

那么 EMI 又是很好的

所以说呢，这样的话呢

我们整个产品的优点

就会有非常明显的就是发挥出来

当然呢

发挥了这个产品之后

除了刚才讲的电感的电感量比较小

成本比较低以外

即便是那样

我们还希望继续挖掘

那么继续挖掘什么呢

就是做一个磁集成的电感

让它大功率

就是更加大功率和低成本化

所以这都是我们一些对策

那么采用了这些对策

把刚才的概念发挥出来

就是用这个 IGBT

来做这个大功率的 PFC

而且是 CRM 的

能把电磁兼容的问题好好解决掉

那么这样的话呢

可能会产生一个不错的一个产品

好

那我再介绍一下

那我再介绍一下

就是说我们怎么去做磁集成

那么这一个呢

这地方是一个原理

是一个非常简单的一个磁集成原理

实际上就是说我们把一套磁心里面

做两个独立的电感

那么做成了这种形式

那么这种形式是什么呢

就是说我这边是一个绕线线圈的一个磁芯柱

那这边呢又是一个

就是两个线圈分别左边右边各一个

那我们从这个原理上来看

就是说我假设这是一个铁氧体的磁芯

相当于 E 形的铁芯

对吧，磁芯

我们呢，把中间这个地方呢

紧密地联系上

让它没有气隙

这条路

这个地方呢，开上比较大的气隙

因为我们做电感嘛

对铁氧体很容易饱和的

所以必须要开比较大的气隙

那开了比较大的气隙呢它就

能够做出大电流的时候电感量

比如说我刚才讲的

比如说我刚才讲的

至少峰值电流 20A 嘛，是吧

那么绕了这些线圈的时候

20A 跑过去

这个地方至少要个 90uH

或者 100uH 以上的电感嘛，对不对

那么要达到这个电感的时候呢

这个气隙是比较大的

因为我们这个铁氧体呢

是高导磁的

导磁率是几千的，对吧

相对导磁率在几千以上

所以说呢那磁通比较小的

好

那么我这边开了气隙之后呢

那么我绕线呢

就按现在图示这个方向来绕，对吧

电流呢，I1

也是这边是正极

这边流进去，对吧

这么流出来

那么它会产生一个磁通，是吧

磁通呢，它是从这地方往上走

方向就是这样转圈，对吧

然后这边呢，也会产生一个磁通

按这个方向走

它会倒过来这么转出来

然后呢在中间这个磁路上呢

是互相方向相反的

也就是在这个地方

如果说同时各出现的话

它是互相抵消的

那么为什么我们讲

它是互相不干扰呢

其实你说他为什么不往这儿流啊

如果这个线圈产生的磁通

它不单是往中间流

它又往另外一个线圈里面流的时候

那么它就互相产生了干扰

那我们这个原理是不会产生的

道理是非常的简单

因为我们开的气隙非常大

也就是说这个地方呢

产生很大的磁阻

就是磁阻非常大

那这个铁氧体部分磁阻是非常小的

那么这地方又是有很大的

那我们举个比例说

假设我铁氧体部分的磁阻呢

相当于 1Ω

比如说一个单位体积，对吧

1Ω

那这个呢

一个单位体积呢

可能是 1M，对不对

那 1M 就是一百万倍

那我不说 1M

就是要是 1k 吧，也是一千倍

对不对

那就是说，我这个呢

产生的磁通呢

是它自己产生，它必须有的

有了之后呢它这个磁通呢

要么往这儿走

同时也往这儿进行分流

那这个地方是 1Ω 的

这地方是 1k 的

那当然1/1000往这跑,对吧

999 往这跑,是这意思吧

那 1/1000 的话呢

我们是示波器都看不到影响了

对不对

所以说呢，因为它影响太小看不到了

所以我们认为它没有影响

实际上是这么个道理

并不是真的完全没有啊

总是有一丁点的

那么从这样的原理呢

因为利用了这个高磁阻的特点

它不会往这儿流

所以它互相是不干扰

互相不干扰，互相不耦合

相反，如果我在这地方开个气隙

对吧，磁阻也很大

那它就是开始分流了嘛，是吧

那它就会进行耦合

那这就是一个耦合的原理

就是我们现在这个电路呢

是进行不耦合的这种设计

所以它是就是这么一个工作的原理

好

那么，产生这个原理之后呢

那么实际上我们在一个磁芯上

就可以做成这样

由于这部分是互相抵消的

很大部分互相叠加的时候

重叠之后它会抵消的

所以说也就是这个面积呢

我们做变压器做电感的时候

往往是 E 形的呢

这个是1，这地方两倍

这地方1，是吧

那按这种方式呢

就没有必要再搞两倍

所以说我现在这一个方案呢

实际上是用了0.45，是吧

这个三角块的面积

那么两个加起来才只有0.9

就是只有它的90%的面积

那么，我们做了仿真

你看最恶劣的一个情况

比如这边是满功率

这边是很小的功率，是吧

那这样的情况下

那么即便是这样的话呢

实际上这个磁芯

你看也是不是发红的

就是离饱和还差得很远

这个磁场的分布情况

所以说，实际上是这个电路

就是这条路呢

就是这条路呢

我们跑了14点几个安倍

这边呢，跑11点几安倍

就是正好交叉的时候

在那地方有重叠的地方

那么这些重叠这部分就非常小

所以说可以这么去做

当然呢，要想做到这一点呢

还是远远不够的

做到这一点呢

我们只能说是利用了一个磁芯

做出磁集成两个电感，对不对

但是呢，这依然是没办法去解决

就是我们把 IGBT 能用的一个原则