PFC電源設計與電感設計計算

更新於2018-11-30

課程概覽

• 常見PFC電路和特點1
• 常見PFC電路和特點1
• CRM PFC電路設計計算
• CCM PFC電路設計計算
• CCM Interleave PFC電感紋波電流計算
• DCM.CRM Interleave PFC電感紋波電流計算
• 高性價比大功率CRM Interleave PFC設計實例
• PFC 電感電氣性能指標的定義及電路中的作用
• PFC 設計的電磁兼容問題與對策
• 耦合式Interleave PFC技術

常見PFC電路和特點1

各位電源工程師朋友們 大家好 我是邵革良 從這一講開始 我們開始講解 PFC 電源設計與電感的設計計算

裏面的第一部分 第一個講解 就是常見的 PFC 電路以及它的特點 我們這個 PFC 電路和特點 我們分兩講來講 今天是講第一講這一講的主要內容是四個方面 第一個就是我會介紹一下 連續電流模型和臨界電流模型 它的特點和區別 那麽第二個呢 再去介紹我們單路的 PFC 和交錯並聯 PFC 那麽緊接著就是無橋 PFC 我們為了提高 PFC 的電源效率 所以一定要把前面這一個整流橋去掉 整流二極管的壓降很高 所以這一個部分把它去掉之後呢 來改善我們 PFC 的運行的效率 所以無橋 PFC 我們會使用得越來越廣泛 最後呢 會介紹一下單路單相的 PFC 和三相 PFC 主要是這四個方面 那麽講到 PFC 電路

呢 其實我們有個概念 非常希望大家去了解或者是理解 我們很多電源工程師 一上來就說 PFC 電路上 講到 PFC 馬上就會說 它主要是一個升壓 把這個電壓穩定住 達到比如輸出單相輸入的時候 達到一個 380V 或者 400V 左右的直流 然後給後面供電 所以我們想到 PFC 的時候 往往腦袋裏有這麽一個印象 其實這就有一點 忘掉了 PFC 這個電路是為什麽出來的 為什麽要用 我們講到電源 其實供電都是交流電就是交流的電源供電 我們有一個整流電路 最後變成一個直流了 最後我們給負載供電 無論是 DC/DC 後面的 DC/DC 逆變 或者說我們把 DC/AC 變成了交流電輸出 像這個給電機驅動 壓縮機驅動 或者是給其他的一些變成一個 UPS 交流的輸出 不管怎麽變 我們都是需要把這個交流電 50Hz 的交流電 把它整流變成直流 最終利用了這個直流 來進行各種各樣的高頻的變換

所以為什麽要引入 PFC 不要行不行 其實從我們在後面這個電路裏面 在負載使用的時候我們要的是一個直流電 但是我們電網進來的肯定是 50Hz 或 60Hz 的交流電 所以一定要把交流電整流變成直流 那其實不要 PFC 一樣好用 而且電磁兼容的問題還簡單了 就是直接把它整流濾波就好了 問題就是什麽呢 就是我們整流這個整流濾波之後 比如說我這個整流直接接了一個電解電容 比如說我這個整流直接接了一個電解電容

• 連續電流模型 (CCM) 和臨界電流模型 (CRM)
• 單路的 PFC (Single Boost)和交錯並聯 PFC (Interleave PFC)
• 無橋 PFC (Bridgeless PFC)
• 單相的 PFC (Single Phase)和三相 PFC(Three Phase)

在這濾波 那麽大家可以看到我們這個波形 這一個正弦波波形是我們輸入的電源電壓 就正弦波的電壓 這個黑的顏色實際上是我們這個電容器的電壓波形 就是有點帶點紋波的直流 已經變成直流了 這個時候我們看輸入的 iAC iAC 的波形你會發現 它實際上是一個鋸齒波一樣的東西 為什麽是這樣呢 就是說在我們輸入的電源電壓的時候 低於輸出 Vc 這個電壓 它實際上是沒有電流往裏面流的 沒有電流往裏面流的這個電流是零 等到這個電壓開始超越後面電壓的時候 通過這個二極管 強制就相當於為零的時候 就相當於強制短路了 就是直接給電容器大電流的灌封 所以電流瞬間就提升到很高 那麽直接就灌進去了 灌進去之後隨著電壓繼續往上漲 這個電容充電電壓往上拉的時候 電流就會往下降了 那麽達到最高電壓點的時候 正弦波最高電壓點等於充電充滿了 那麽下來就掉下來就沒有電流了 所以必然會形成一個類似這樣的三角形的 鋸齒波這樣的東西 形成這樣的電路呢 其實對我們的後期來講是根本不在乎的 問題在於什麽呢 如果我們形成這樣的一個波形 不是電流波形 不是一個正弦波 按照我們高等數學裏面學過 傅裏葉變換 也就是說任何一個周期性的函數 我們都可以把它分解成由一次 有基波 就是一次的 我們說的這個一次就是 50Hz 如果整流之後把它翻上去就是 100Hz 就是說有 100Hz 還有若幹個無限多次的 高次諧波的一個組合 也就是說如果兩次 100Hz 就變成了 200Hz 了 三次就變成了 300Hz 了 那也就是說它任何一個這樣的函數 周期性的函數都可以被 分解成 一次的兩次的三次四次一直到 N 次 由這樣的波形的組合 最後的組合之後 就變成了我們出來這種稀奇古怪的 這種電流波形 但是當然了 周期性函數是理想的周期性函數 它是沒有這個 二次四次這個偶次諧波 就是說是單次諧波 就是一三五七九這樣 那麽不管有單次還是偶次 也就是它總是它不是 100Hz 的 也就是從電網來看並不是 50Hz 的 不是 50Hz 的有什麽問題 電流一定要從電網裏面來拉進來對不對 就是我們假設電源這個地方 我們的電源插座 外面接到哪去了 接到我們的三相工頻變壓器上去 那麽也就是說 100Hz 也好 200Hz 300Hz 甚至幾千赫茲 這個電流一定要從電源拉進來 但是變壓器只是 50Hz 的 也就是說這一部分的電流 必須從變壓器拉過來 或者是變壓器旁邊的電力電解電容裏面往外放 所以它問題就出在這個地方 就是這就是高次諧波 而這些高次諧波最終都會形成變壓器的發熱 和電力電容器的發熱 如果變壓器能承受得了 電容器又不進行濾波 電容器又不進行濾波 那麽都返回到最終的發電機裏面去了 都會燒毀 變壓器也會燒毀 發電機也會燒毀 所以引起電網的解列 就是電網癱瘓 為了解決這個問題 實際上我們希望 希望我們交流輸入的時候 最好是直接接一個電阻負載 也就是說交流電 交流電的這個正弦波波形的 電流波形也是正弦波的 不光是電壓 電壓和電流是完全是同步的 完全是實時同步的 就不會又滯後 不會有超前 那麽如果是能達到這樣的話 這樣對電網的影響最小 為了解決這個問題 所以說我們國際上就有一個這個 IEC61000-3-2 的高次諧波的標準 就是防止對電網造成這個重大的事故來定義的 那麽講到這兒大家都清楚了 也就是說我們不管是 DC/DC 還是 DC/AC 我們這種的應用 我們供電都是交流電 正弦波進來的 所以既然是正弦波過來 後面我們一定有一個電容器的大電解 或者是大容量的電容器去濾波 那麽必然如果不進行這個電流波形的處理 它必然會形成一些 不同於正弦波的各種各樣奇怪的波形 這些波形就會產生高次諧波 而這些高次諧波只要送到電網裏面去 就會對電網裏面的電力變壓器 電力電容等等會造成傷害 甚至嚴重的時候會燒毀 那麽 為了解決這個問題 所以說我們要求從電網進來的時候 要求是我們所有的用電負荷 必須是盡可能地做到呈電阻負載 因為電阻負載就不存在這個問題 所以從這個意義上來講 PFC 有什麽目的 PFC 實際上最終的一個目的 就是抑制高次諧波 這個主要是指電流諧波的 就是不能讓它出現兩次的三次的四次的五次的 一直到 N 次的 那只保留一個基波就是一次的 50Hz 或者 100Hz 的 那麽這種情況 這是我們做 PFC 電路的一個最重要的目的 所以我們千萬不要把這個目的忘掉了 我們大部分的工程師一上來就是下面這個目的 輸出穩壓調壓 我們因為這個電路 剛才看到的這個電路實際上輸出電壓是 比如 380 也好 400V 直流也好 就是用它來穩壓或者調節電壓的 其實我們電源工程師時常呢就把 真正重要的高次諧波的抑制的根源 為什麽這樣就把它忘掉了 很重要的 只盯著一個 穩壓和升壓這種功能 那麽這個就是我們一定要重視的問題所在 重視了這個問題所在 所以說其實我們的目的很明確 就是要不要讓它出現這種高次諧波 讓它來符合我們 IEC 的標準 來支持 PFC 電路的 為什麽設計它的 最重要的目的 那麽一旦離開了這個條件 所以我們就不要去談 PFC 了 比如說我們很多 DC/DC 的電路裏面 它也要有個 Boost 升壓 它輸入的是電池或者太陽能電池板 包括光伏逆變器 它有一個 Boost 升壓 那麽後面把它逆變成交流 返回到電網去 所以這裏面就不存在 PFC 的說法 所以我們叫 Boost 電路 就是升壓電路 當然它也有個高次諧波的抑制 它在哪裏呢 它比如說這個地方不是接電機 是接到電網裏面去了 所以它並網 那如果我們逆變器產生的波形 電流波形畸變 如果灌到電網裏面去 也同樣會產生同樣的問題 所以也必須滿足 IEC61000-3-2 這種標準 那這就是我們 剛才講的問題所在 所以我們理解了這一點 所以什麽時候我們叫 PFC 什麽時候叫 Boost 升壓 為什麽這麽叫 這個大家就非常好理解了 就非常清晰了 所以這一點我特地把這個內容講得多一點 就是我們千萬不要忘記了我們做事情的目的和本源

• 整流後利用直流進行高頻變化，整流必然存在電容，因電容存在，整流輸入的電壓為正弦波，整流輸出的電壓為帶紋波的直流，整流輸入的電流為鋸齒波。電流為鋸齒波經傅裏葉分解存在高次諧波會造成變壓器發熱，電力電子器件發熱。
• 期望AC-DC變換後的電流、電壓波形完全同步
• PFC電路的目的就是抑制高次諧波

常見PFC電路和特點2：CCM&CRM

OK 我們再來看這幅畫面 這個畫面呢我們是要對這個 CCM 和 CRM 進行比較 那麽這個我們首先看到 左邊這個圖是吧 這個波形圖我們叫連續電流控制模式 就是導通模式 那麽右邊呢是臨界的導通模式 我們 PFC 電路裏面呢 其實基本上都是這兩種模式 那麽這兩種模式呢 實際上它的控制的原理是完全不同的 我們先看左邊這個圖 底下呢是一個示意圖 並不是真的是這樣的 這底下這個表是代表一個驅動波形 那麽實際上我們關註的並不是這個波形 而是這個電流波形 也就是說我們工作的時候呢 從低的電壓就是正弦波進來 電壓就一直往上上升 這個藍顏色表示電壓的正弦波電壓 那麽這個鋸齒波是表示我們電感裏面 就是這個電感裏面跑的電流波形 所以他基本上控制原理是這樣 就是說在控制一定的這個紋波的幅值 不是很大的情況下 然後呢也沿著這個正弦波的規律 就是把它的有效值或者平均值做出來之後 那麽相當於這個平均值或者有效值呢 就是跟我們電壓的波形完全一樣同步的跟蹤的 那這種原理從這個圖上來看呢 為什麽叫連續的呢 就是說你看這個電流掉下來的時候 他不會為零是吧 都是直流上面加一個紋波 那麽這種情況我們叫連續 那麽臨界的呢就是右邊這個圖 基本上電感的電流波形就是像這個爬升起來 基本上電感的電流波形就是像這個爬升起來 然後呢關閉了掉下來 所以說呢掉呢一定要掉到底掉到零的時候 就調到零的時候呢 然後他馬上又開始下一個脈沖 就是開通了那麽始終處於 這種剛好一到零就回來這種模式呢 一直處於這種模式 那這個模式當然就是臨界了 就是處於連續和不連續的臨界點上 那麽當這個 PFC 始終工作在這種狀態 我們叫連續電流模型控制 那麽這兩種呢是有本質的區別的 本質區別是什麽呢 左邊的呢我們往往是做一個固定頻率的控制 右邊的呢是變頻控制的 也就是說因為它電感量我們如果固定不變 那麽電壓在變的時候呢 是爬升的這個電流在變 包括時間在變 那麽讓它一定要掉到底的時候 實際上掉到底的這個時間也在變 所以說呢隨著我們不同的輸入輸出電壓的時候 那麽這個頻率是一直在變 就是一個正弦波的半波裏面 實際上每一個時刻那個脈沖都是寬度是不一樣的 就是這個周期都不一樣 那麽讓他始終處於這種狀態 那麽永遠處於這種狀態 我們叫 CRM 這種狀態就是臨界模式 那固定頻率呢就跟這個這個地方寫了 是 CCM+DCM 或者 CRM+DCM 那麽或者它都合在一起都有 什麽意思呢像這個 我們這個電流大的時候它是連續的 那麽這個地方電流小的時候它會掉到地的 掉到地的話剛掉到地呢是屬於這種狀態 那麽再下去的話它就是不連續了 所以說固定頻率它存在這個 連續模式和臨界模式和 DCM 這種狀態 那麽 CRM 呢嚴格的意義上來講 就是純粹的這個臨界模式 當然有時候我們也會有一些個別的情況下 就是說頻率把它並沒有跟蹤那麽快 那麽底下呢就會有一段不連續的區域 所以這種情況呢會混合成 CRM+DCM 就是這兩種不同的控制方式 那麽我一會會講 講到這個計算的時候會去講 這個兩個控制的不一樣 那麽為什麽他能做我們 PFC 或者是高次諧波的這個控制 那麽剛才講到這個 PFC 的問題呢 其實我們叫習慣了就是功率因素修正 Power Factor Correct 那麽其實呢我們講的是功率因數修正 這個呢是我的理解是有點不一樣的 因為功率因數我們講 PF 為一對吧 或者是接近於為一 PF 大那高次諧波是不是一定是小呢 那總的高次諧波肯定是小 但是呢對於某一個次數的高次諧波 它不一定是小 所以說我們真正的控制 我們叫是叫 PFC 這種說法 實際上我真正的目的 還是前面講的要把高次諧波控制到手 每一個高次諧波所控制到我們 能滿足 IEC61000-3-2 這個標準的要求 所以這一點大家註意一下 那麽特點是這麽個特點 所以說我們講它的影響影響是什麽呢 比如說我們做這個 CCM+DCM 這種模式 或者是我們就叫 CCM 這種模式 那麽它 PFC 電感就在這個地方 他工作的時候呢 它的紋波呢是在一定的小的範圍之內 並不是所有的都是紋波 那麽對於 CRM 呢就是所有的都是紋波 所以說對電感這個設計的時候或者選取的時候 你就會發現 在這種情況下要控制我們 當然要控制紋波的含量 那麽一個很大的電流情況下 這個電流變化率變化的這個峰峰值很小 那就是什麽是我們這個電感量 一定要選得比較大 所以說我們做連續模型 CCM 的時候呢 你用的電感量實際上都是要比較大的 要不然這個紋波就顯得非常的大 那麽在這種情況下呢 其實還有一個快恢復二極管的問題 快速二極管問題是什麽 就在這個地方二極管 那麽為什麽講是快恢復二極管呢 其實我們從這個波形可以看到 當它導通的時候 就是這個管子導通的時候 實際上是我們把這個電壓 強行的加在了這個 PFC 在電感上 那麽這地方是對地短路的 那麽加上去之後呢 它在那一瞬間就是從某一個電流的 小的電流值開始電流往上爬 爬到最高的時候呢 我們認為這個對電感裏面儲能夠了 所以說就把這個管子關閉 關閉的那一瞬間 其實它的電流是達到這個三角波的頂點 就是這三角波頂點達到頂點的時候呢 突然關閉了 關閉了我們電感裏面是有電流在跑的 所以電感的電流我們知道是它是連續的 它不會跳變對不對 那連續的就意味著什麽呢 它一定要往外流 那既然這邊流不過去 它會強行往這邊流 往二極管往這邊流 所以說呢這個時候二極管被強制導通 哪怕是外面的電壓比這邊的高 就是說我們關閉的時候是零嘛 這電壓然後那一瞬間可能會升上來 那最終是要想導通 導通是什麽意思呢 就是 Vf 為零 理想的時候 Vf 為零 也就是這邊電壓等於這邊電壓等於輸出電壓 所以說呢就是關閉那一瞬間 這個電感的這一頭的電壓 會瞬間由於它續流的作用 瞬間把電壓擡起來 擡到了跟這邊輸出電壓一樣 所以說這是它的一個工作過程 那麽一直這個電壓 輸入電壓肯定是比輸出電壓低了這種情況下 那麽它一直給她往這邊流電流 實際上是給電容充電或者往負載放電 然後放到一定程度呢 因為電壓實際上 是加在這個電感兩端電壓等於這邊高 右邊的高左邊低那麽這個時候呢 這個電感呢實際上加了一個反電壓加在上面 所以說電流呢雖然是往一直往右邊流 它實際上是逐步在下降 反過來電壓 是一直在下降 那降到一定程度 比如說在這個地方 降到這個地方 認為這個能量放的差不多了 所以這個時候呢要把這個管子再次打通 大家註意這個問題 那麽她剛才是二極管 一直往這邊電流續流是吧 雖然電流很小但是它不是零了在這個地方嘛 不是零也就意味著電流很小 還是往這流的 往這流的過程中 這個 Vf 當然是通的是吧 那麽一瞬間這個管子直接對地短路了 那這樣一短路出現什麽問題 這個電壓馬上掉零了對不對 那這個還是 400V 是吧 也就是二極管馬上來一個反壓 但是在反壓之前 其實二極管是正向流的 它會需要形成一個反向的電流 就是很大的一個電流反過來流 才能形成這種絕緣層的 所以說那一瞬間呢快恢復的效應 就是一下子就把它恢復了 恢復到這個隔離這種狀態 就是兩個不導電的狀態 那麽否則的話電流就會往下灌 所以說它通過一個很大的電流 往這邊流的時候呢 那麽形成了這個很高的一個絕緣 那麽二極管就截止了那這個過程呢 是瞬間大電流往外灌的這個過程呢 是對我們整個的工作非常不利 它會形成什麽 形成 EMI 的問題 就是瞬間的 dI/dt 非常大 當然呢這個管子的發熱也非常大 所以說我們要用比較好的快恢復的二極管 來做這個地方 所以說這個是我們連續電流模型的 一個非常重要的特點 那麽如果說我們臨界的那就不存在這問題 為什麽呢臨界的電流 我剛才講了一定要到零 也就是說電感的電流往下降 降到了零什麽意思 就是這個 Vf 沒有電流往上流了 沒有電流流的時候那它就是半導體 沒導通是不是 那麽這個時候呢 底下他實際上沒有這個 那個大量的這個電子的 那麽也就是說它降到零的時候 這兩端是沒有電壓的 沒有電壓那麽也就是說 沒有大電流往下流的時候 實際上它就不會積累了很多的電荷在地方 那麽它這地方它自然是截止狀態 就是這個二極管是個截止狀態 所以截止狀態的時候 這邊對地短路反過來加高壓 實際上這個部分呢 反過來反抽的電流就非常的小 所以它就結果呢導致 這個二極管的快恢復的要求並不高 而且沒有很大的 dI/dt 的時候呢 EMI 也會好 二極管的損耗也比較小 所以這是臨界模式或者不連續模式的優點 所以這個呢非常重要 這一點啊是希望大家能理解 如果不理解的話 我們去看一下二極管的這個基本的原理 那有的工程師會講 我現在我用的是碳化矽二極管 不是你講的那個少數載流子 我是多數載流子 不存在這種效應問題 就是沒有快恢復效應 那麽是不是會就會非常棒呢 就會解決這個問題呢 其實呢是當然會好一些 但是這個問題依然存在 為什麽這麽講呢 其實我們就算是沒有 SiC 碳化矽 就是沒有這快恢復效應 其實呢這個二極管它是一個結電容 在這的 蠻大的一個結電容 有的是幾十皮甚至上百皮的那個電容 相當於並在這兩端 那並在這兩端你要知道 如果我把這個電容實際上是 導通的時候為零 那麽這個一短路的時候 等於瞬間給它這個電容充電 所以反過來從這個輸出電壓 給它這個二極管的電容充電的時候呢 那麽實際上對地短路 那麽實際上對地短路 這個反過來充電電流也非常厲害 那麽雖然二極管這時候形成的損耗並不大 沒有快恢復的那個過程 所以損耗並不大 但是它依然會存在很大的 EMI 的問題 就是說很高 dI/dt 的變化 所以在這個回路裏面會產生高頻的震蕩 所以這是即便用碳化矽它能改善 但是也不可能是消除這種影響 所以這是連續模式一個非常不好的一個特點

• CCM:固定頻率控制，需要好的快恢復二極管減小EMI問題，二極管損耗引起發熱；CRM:變頻控制，對快恢復要求不高，二極管的損耗較小。
• 二極管瞬間承受反壓，瞬間會有反向大電流往回灌，快恢復二極管可以在形成方向電流時快速形成絕緣層避免電流回灌，正向導通時快速恢復導通，普通二極管相對形成絕緣層慢，反向恢復也慢？？
• EMI問題，瞬間反向大電流回灌，很高的dI/dt 的變化，損耗大，發熱大，回路裏產生高頻振蕩。

那麽臨界模式呢這個問題就會好得很多 所以說這個大家要註意 那麽開關的器件呢我們往往選擇 場效應管 或者 IGBT 對吧 那麽什麽時候選場效應管什麽時候選 IGBT 其實這是跟我們電路的設計有關系 那麽如果選 MOSFET 那就意味著我們 可以把開關頻率開的很高 也就是說你如果需要很高頻率的時候 那麽你用場效應管來工作 如果想 IGBT 呢一般到目前為止 IGBT 呢基本上是工在 40K 以內的 超過 40k 那個 IGBT 要非常快非常好的管子 所以說也就是說你用 IGBT 設計 可能這地方電流可以用得很大 但是呢你的頻率會降下來 用場效應管呢電流可能不一定很大 但是頻率可以設計的開關得很做得很高 當然頻率越高呢 實際上這個電感量就會變小是吧 因為這個紋波控制的 一樣的紋波的情況下頻率高了 當然它這個電感量小了 也能控制到這個很小的紋波 是吧 這個是跟我們這個你所選擇的這個器件 和你所選的應用有關系 那麽你選擇你合適的方式 所以說這個就會相應的對應過來 所以有些時候我們在選擇這個電感量的時候 往往並不是為了電感量而去選管子 而是說我們基本上用什麽概念呢 我用高頻的方式來工作 還是用比較低頻率的工作對吧 我是小電流的還是大電流的 看到我的整個的性價比在哪個地方比較好 那麽回過頭來我們來確定這個電感量 實際上是這麽樣 那麽後面呢我們的計算也是從這個角度來做的 所以說這個是它也就是不同的工作模式 對我們這些幾個管子的要求和影響 當然呢用了場管呢 我們有一點實際上非常好 就是關閉可以來得非常的快是吧 關閉的時候因為關閉往往一般 像這種情況都是硬開關 電流特別大的時候突然把它關死了嘛對不對 所以是硬開關 那麽 IGBT 呢就有個壞的一點 就是關閉的時候它有拖尾效應 就是它一下子關不死後面還拖了個尾巴 就是有點電流一直在那流著 那這個時候呢它損耗 關閉的損耗就比較大 所以適用 IGBT 為什麽頻率開不了特別高 是這個原因 在設計使用 IGBT 的時候 往往選擇 20k 或者 40k 以內的 那麽有些大功率特別大功率的 甚至是只有工作在十幾 K 或者幾 K 當然有的大 IGBT 模塊頻率就不會很高所以我們一定要了解這種大概這種器件的特點 那麽最終的取舍 我們設計電路的時候取舍呢 實際上是看我們一個是元器件的損耗 還有一個看 EMI 的影響 那麽當然還有它的成本和應用的局限 因為有些功率我覺得特別大的 你就不可能場效應管並了一大堆是吧 場效應管顯然在同樣的電壓和電流的情況下 場效應管肯定貴肯定比 IGBT 較貴的多 所以說這個是完全是因我們的應用這從這幾個角度然後來綜合權衡 我們這個電路到底采用 CCM 還是 CRM 當然你要采用 CRM 還有一個情況必須要註意的 因為采用 CRM 所以它紋波電流就特別的大 所以你只選了電感的時候 因為采用 CRM 所以它紋波電流就特別的大 這個電感必須要能夠承受 很大紋波電流的時候損耗不是很大對不對 因為采用 CRM 所以它紋波電流就特別的大 那麽同時呢也就是說紋波電流特別大 那麽同時呢也就是說紋波電流特別大 這個峰值電流 器件的峰值電流就會比較高 所以說這有一些缺點 那麽當然這些紋波可能都通過電感 反饋到這個電源的回路裏面去了 那麽這就形成了我們 EMI 的幹擾 實際上就是一個差模幹擾 對不對 所以說往往在做大功率的時候 即便是用這個臨界模式 我們往往不會用單路的臨界模式 單路的紋波全部從電網裏面拉進來 這個我們前面的濾波器就很復雜了 所以說這裏頭呢往往會成交錯並聯 那麽後面我們有這樣的實例

• 場效應管：高頻、小電流；硬開關，不存在拖尾效應
• IGBT：低頻（<40kHz）、大電流，存在拖尾效應，尾巴電流引起開關損耗，所以IGBT開關頻率不能特別高。
• 開關頻率越高，紋波控制頻率越高，需要電感量越小
• CRM模式往往不會用單路CRM，而選交錯CRM，因為CRM本身紋波大

常見PFC電路和特點3：單相PFC&交錯PFC

下面我們再看這個 就是說單路的 PFC 和交錯並聯 剛才講到交錯並聯總講到交錯並聯 其實我們從這個波形能看到 這是一個比較特殊的一個現象 就是說我們把這個單路的 PFC 我把這一部分再拷貝一部分過來 就變成兩路 對不對 就是兩個 PFC 電感對吧 兩個這個開關管兩個二極管對吧那麽這種情況下呢之後呢 我假設它上面是綠顏色的電流 底下是紅顏色的電流 那麽交錯並聯了 那麽我把他兩路並聯的時候 我選 180 度相位 就是說從這個地方到這是一個周期 然後它一半的地方呢是從這兒開始 那麽到這是一個周期 就是剛好一半的周期的時候呢 進入下一個通道的開通 所以這種方式呢 180 交錯並聯 然後呢它這是一個狀態 就是說我們兩個電感電流波形呢是這樣的 就是紋波比較大 然後把它合成 合成是什麽意思 就是從輸入的部分來看 或者從輸出對這個電解電容來看 那麽它只是在這個等於並在一起了 兩個電流加在一起 或者這地方並在一起兩個電流加在一起 加在一起的時候會發現就是黑顏色的 也就是紋波就會大幅度減小 這是一個特點 然後它紋波這兩個電感量加起來之後 電流是上去了 紋波大幅度減小 那這一下子就我們非常希望 實際上看單路的紋波大就意味著什麽 單路的電感量小是不是 那麽雖然兩個單路電感量非常小 合成了之後呢其實紋波還是很小的 那麽也就是說可以來替代這個單路的大電感 來做這個紋波很小的這種情況 那麽這樣的話呢 實際上這個電路呢在大功率應用的時候 這個電感兩個電感加起來 肯定比這一個電感要便宜的多 體積要小 那麽缺點是什麽呢 電路復雜了是吧 多了一套電路 多了一套驅動 所以說這是它兩個有本質上不同的地方 那麽什麽時候我們用單路的這個 Single Boost 那麽什麽時候用 Interleave 這個 Boost 因為 Interleave PFC 呢實際上 有我們看這兩種情況 其實我什麽時候用呢 就是取決於說到底還是一個性價比的問題 如果說你的功率特別小 總共才幾百瓦或者是幾十瓦 那如果你選雙路的就意味著什麽 意味著你這個電路非常復雜 我就算一個電感把它變成兩個了是便宜了不少 但是這個其實並不貴到哪去 單個電感 然後呢紋波做小也不難 因為我功率小的話頻率可以開很高 電感量本來就很小 所以這個時候呢相反你的電路復雜了 對成本的影響肯定更大 我們往往一般來講就是說這種交錯並聯 是為了實現更大的功率 就是更大的功率的時候用它比較好 那麽從我個人的體會來講呢 我是什麽時候怎麽來判斷它是交錯並聯 還是不交錯並聯 其實我要看我們所選的器件 比如說我這個電路裏面設計 我選的是 TO-247 的這個管子 那麽如果我一個 TO-247 的管子 我所工作的這個功率呢 基本上就夠達到要求了 那這個時候呢我如果選兩個 TO-247 來分擔的話我實際上就不合算 我一個就能解決了 那這種這種情況下我往往是用單路的這種功率 那麽如果說我功率比較大 我就算是用一個這個 TO-247 的管子 來用在這個地方 我發現功率肯定不夠 所以我這地方需要兩個管子並在一起 當一個管子用 那這種情況下兩個管子並在一起 它驅動信號是一樣的 那我不如說把他兩個 反正是要用兩支管子 那我就把它分開啟動個各差 180 度 既然你這個用兩個管子 這地方基本上也是兩個管子的 所以說我把它分開 實際上我的器件並沒有增加個數 那這種情況下我倒是比較推薦 用交錯並聯的方式 這樣的話因為器件沒有增加 我原先還是用四支管子 現在也是四支管子 那麽我只是把一個電感變兩個了 那這個優勢就非常的明顯 其實往往我考慮的時候呢 一般是考慮我的器件有沒有增加 如果器件不增加 個數不增加 那麽單路的單個器件的那我用單路 如果兩個器件的我就用兩路 三個器件呢最好你用 180 度那就更厲害 那個電感可以做得很小那麽我們看右邊這個波形 這是一個實測的波形 這是我用了一個 350uH 30A 的電流的時候 能達到 350uH 的電感 一個雙電感 然後呢把他工作在六個千瓦的一個電流 這是整個的波形 那大家看到這是大家有個印象 就是說我這個綠顏色的實際上 是我們濾波器的輸入端 也就是說我們電網進來的 正弦波就是被濾過了之後 即便是濾了之後 你看著有些地方還是有些疙疙瘩瘩的地方 實際上還是有點小紋波的 但是已經比較幹凈了 EMI 就會比較好 那麽這個紫顏色的是什麽呢 是我們整流橋就在這個地方 整流橋整流之後的這個電壓波形 所以說它就是半個正弦波 半個正弦波 然後把它這是反半波 半個正弦波 然後把它這是反半波 然後翻上來了 實際上如果不翻上來 就是往下走了嘛 所以這是電壓波形 那我們的目的是什麽呢 我們的目的就是想把這兩個電感 合成之後的這個電流波形 讓它完全跟蹤這個電壓波形跑 也就是說電壓波形是什麽形狀 我合成之後的電流波形 也是什麽形狀 那 PFC 就達到 1 了 底下這個黃顏色是單個的電感的電流波形 無論是上面還是下面 L1 還是 L2 那麽都是一樣的 那把這兩個波形和在一起之後疊加起來 就得到了這個藍顏色的波形 這個藍顏色波形實際上是兩個電感加在一起 就 IL1+IL2 的電流波形所以說從這裏頭我們就能看到剛才這個效果 就是說這個地方你看最頂的這個地方 紋波這麽大 疊加之後紋波肯定是小了一塊 但是並沒有小到很多 沒有我這個畫的那麽玄乎 這個地方是好玄乎的 那我是故意挑了這麽個地方畫 其實呢你看這個地方是很玄乎的對吧 這兩個點紋波幾乎為零的 對不對 如果我畫到這個位置取出來的 你看紋波這麽大就變成這麽小了 如果畫在這 那你看我這個就不是玄乎了 實際上我是大概是取得這個位置的波形來畫的 所以這是這個情況 那麽什麽時候他會變大什麽時候變零 後面呢我再給大家介紹 這樣這是給大家一個印象 實際上通過這個印象 你就會發現用很小的電感的單路 疊加起來的紋波實際上變小了很多 很漂亮啊很幹凈 這是給大家一個交錯並聯的印象

• 兩路交錯並聯相差180度相位，即剛好一半的周期的時候呢 進入下一個通道的開通
• 交錯並聯的紋波會大幅度減小、所需電感量也會減小

PFC電源設計與電感設計計算學習筆記