11.1 (十一) - 耦合式Interleave PFC技术

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评论 收藏 上传者:hi5
各位电源工程师朋友们 大家好 我是邵革良 我们现在开始我们这个系列培训讲座的最后一讲 有关耦合式交错并联的 PFC 的设计技术 那么大家看 我们先讲这个耦合电感的基本原理 我这地方画了这个图就是有一个耦合通道 什么意思呢 就是我们左边这一个电感线圈 它产生的磁通就是这个红颜色的磁通 它一方面呢是向这个磁路流通 另外一方面像另外一个磁路就是另外一个线圈进行流通 那么如果说它左边这个 A 线圈 它产生的磁通呢只要有一部分通过了 B 线圈 那么也就我们可以说就是说 这两个线圈是有一部分是进行耦合 也就是说耦合是这么一个道理 那么如果说我通通在这个地方穿过 不往 B 线圈穿过 那么耦合系数为零 也就是说它完全不耦合 所以说耦合系数呢是从这个角度来定义的 那么我们看右边 这是一个我做了一个典型的 耦合式PFC 的一个波形的实例 那么这个波形实例呢 我是工作在 40K 的频率用在了 4.5KW 的 PFC 那么我们看下面这个图 这一个蓝线是什么 是我们输入的交流 那个地方进行一个 EMI 滤波 滤波之前的电流波形 基本上是个正弦波 当然有一些拐拐弯的地方 那么下面呢这两个线这个绿的还有这个粉红色的 这两个波形是什么 这两个波形分别是两个耦合电感 左边电感和右边电感的电流波形 然后这个橙色的这个波形 是把这两个耦合电感,把它叠加起来 会产生一个从那个 PFC 滤波器看进去的 一个电流的两个电感的叠加电流波形 所以说那么这个就很像我们以前面讲过的 连续模型的交错并联 那个电流波形很像的 那么只是说我们也是同样有一个特征 就是在这个 50% 占空比的时候 它即便是耦合 它也是为零,这个纹波 那么在顶上的时候 其实纹波它互相抵消的比较小 那为什么比较小 前面我们也讲过这个地方占空比比较小 所以说它是比较小 那么所不同的是什么 我们看上面我把这个最高点这个地方啊 这顶谷这个地方呢进行放大 拉开放大 然后我们发现呢是这两个波形 你看啊就是假设这是 A 电感那是 B 电感 那 A 电感 B 电感你看电流波形跟我们以前的电流波形不一样了 以前我们是一个三角波是吧 上去然后下来 然后再上去再下来 这个不一样了 这个上去下来到一定的时候呢开始拐了一下 然后再下来是吧 那么这个也是一样 这个时候拐了一下是什么意思 也就是说它呢本来是这一个通道是关闭的 电流应该一直下降下降下降 下降到最低 但是由于它另外一个通道 这一在这个区域的这一段平的拐的这一段 实际上是另外一个通道这个开通这个时间就这段时间 这个通间,而这个时间呢它开通的时候 由于它耦合变压器原理 等于说在另外一个这个电感的时候 它形成了一个耦合电压 那么就把它拉上去了 所以说改变了它的斜率 改变了下降的斜率 有时候甚至是往上翘了 那么有输出能力就往上翘了 那么它实际上呢这个电感电流波形呢 它就会进行拐弯 那么这种现在这个情况 我们的偶合系数比较小 大概是 0.4 左右耦合系数 如果耦合系数做的大的时候 它这个翘的会翘得更厉害 会翘到顶上去 那么当它翘到了这个顶上的时候 实际上它就变成了一个全耦合的东西 那么实际上现在这个呢是有点半耦合这种感觉 跟我们的不耦合实际上不一样的 那么这两个叠加了之后 把这个叠加的电流波形展开 你就会发现它是怎样的,是倍频的 就是它的频率呢也是这两个频率的一倍 然后呢它这个纹波是这样的 那这是我们看到的一个正常工作的一个耦合式 PFC电感的两个电感和叠加电感的电流波形 那么我们看磁耦合和不磁耦合 它都有什么样的特点 其实这里头我列了一个这个比较模糊的一种说法 就是这地方是效率 也就是说轻载的时候和重载的时候 PFC 那么这是偶合系数 偶合系数大 轻载的时候效率就差 但是重载的时候呢效率很好 那么相反耦合系数为 0 不耦合的轻载的时候效率很高 那么重载的时候效率是比较差的 实际上是这个关系中间呢是差不多 那为什么是这样 我们再讲下面为什么是这样 那这一幅图实际上这是一个仿真 这是我做了一个仿真 分别把这一种是完全的耦合 就是耦合系数非常好 这一种呢就刚才有点像刚才的波形就是半耦合 就是偶合系数不太很高 这个呢是完全不耦合 就是我们正常的交错并联的 PFC 这三种情况作了一个仿真 仿真呢我们得出了一个结论 就是我同样用这一套电感的磁芯 那我修改的是什么 修改中间这个柱的气隙 如果这个气隙为 0 它就是这种情况就是完全不耦合 也就是前面我讲过的这个地方是有气隙的 有磁阻 然后呢它产生的磁通来通过这个被短路回来了 那不得往那边去 那边的磁阻太大 那么这是这种情况 然后呢我再进行把这个中间的柱呢磨掉一点 让它增加点气隙 让它有一部分往中间走了 一部分往另外一个地方强行往对面把它灌进去 那么它就形成了这种结果 那么这一种呢是什么 我把这个气隙继续拉大 相反我把这边的气隙变小 那么调整过来之后呢让它尽量这一边产生的磁通 大部分这边磁阻小嘛是往另外一个线圈跑 几乎不怎么往中间跑 那么这种情况就接近于全耦合 那么我们从这三个情况来看 我就发现了这么一个现象 就是我们控制如果合成的纹波啊 尽量控制到差不多几乎没有变化 这个合成了纹波 那么呃从这底下这个波形呢 是我们场效应管的这个电流波形 就 IDS 所以说这个看到啊是一个 T 形波是吧 那么这是一个通道绿色另外一个通道是吧 那么它们相互差了 180 度 实际上是这个情况 那么如果说完全做不耦合 这个电感呢我们把它控制在在这个功率 我是在 3000W 的情况下 控制的温升呢大概是在 50℃ 那么这个情况下呢我去绕这个线圈 绕这个线圈我们做到 250μH 电流在 15A 这个样子 15A 能达到 250μH 这个电感 那么为了做成这个电感我去调气隙 、调圈数 那么一共呢用了42圈 那么由于气隙比较大圈数比较多 所以说我的线就必须比较细 否则绕不下 那么这个时候呢大概 35mΩ 的电阻 然后在这种情况下做出来呢满功率的时候 应该是在 50℃ 的温升 然后我同样 把它调到同样的这种温升的情况下 我可以把这个加点耦合进去 那么我把这个纹波可以调到这差不多 就是说我们这个叠加起来的纹波啊 像这个是叠加起来纹波 这个是没显示出来 那么叠加起来纹波差不多这种情况下 实际上呢我们我发现这个圈数可以减小 圈数减少了 36圈就可以做到 那么达到这个自感是 100μH 那个耦合电感 100μH 左右 那么这样的话 实际上,峰值电流是稍微高了一点 这个是高了点 那基本上呢按这个情况做 这个 DCR,因为圈数少了 所以我线就可以绕粗一点是吧 所以说这个内阻就下降一点 是这么个情况 然后呢继续往下改变 就是我把这个耦合系数调的很高 就是自感做的比较小一点 耦合电感做得很大 做得很高 就是让它大部分的磁通从左边都流到右边去了 那么实际上理想情况下全部流过去什么意思 那就是等于1个变压器 就这边的磁通始终都流过那边 那边磁通流到这边 那么互相正常的话互相抵消 那么实际上它不会饱和 那么它实际上是一个变压器 那么既然是变压器 我把圈数弄得很小 它可以出到很大的电感量,这就是 mH 级的电感量 所以说呢按我这个实际的这个电路 我们去做样品的时候 做 24 圈就可以了 那 24 圈的时候由于它圈数少了 所以它内阻就可以做得很小 内阻很小那么原边的这个因为电感量很大 所以说原边的爬升率也不是很高 所以说会达到这个效果 那么这种情况下呢 我们电流大一点的这个内阻也不怎么发热 所以说就会产生这个结果 所以从这个意义上来讲 这个耦合的满功率的时候 由于它内阻比较小 所以可以拉到更大的功率 那么经过我们的一些实验 我们发现呢 如果只考核满功率呢同样温室的情况下 基本上我可以 3000W 的这个电感 可以把它做到 4000W 的功率 那这是很了不起的 因为我们的发热 是跟功率的或者是电流的平方成正比 所以说非常的厉害 非常有价值 那么从这个意义上呢非常的有价值 那么我们前面呢也讲过 讲过这个图 就是说,轻载的时候它效率很低 为什么呢,耦合重的时候轻载效率很低 我们这么去理解 因为它是一个变压器 如果耦合很重 我假设全部都耦合上了 那实际上就是一个变压器 原边和副边只是一比一的问题 那么也就是说我不管输出多大的功率 变压器实际上一直在激励的一直在励磁 那么我的磁芯的损耗实际上是不变的 就是相当于这个电感就是一个励磁电感 会产生一个励磁电流 而这个电流呢一定在原边的地方转 或者副边在那转 那这个原边的电流也好副边电流也好 实际上一定在这个管子里面跑 但是它不产生输出功率 我们变压器是这样 励磁电流是不会产生输出功率的 也就是说很小的功率的情况下 那励磁电流比例还蛮大 所以这个时候 产生开关的损耗和磁芯的损耗始终存在 所以说相比之下它的轻载的时候的效率就会低 那么重载的时候因为内阻小 所以这个效率呢相对来讲就是可以做的高一点 或者是容量可以做的大 这么一个道理 那么既然是这么个特点 所以说我们做耦合式PFC 往往在什么地方用 就是说我不再强调这个综合效率 就是我只强调满功率效率只要越高越好 我的 PFC 电感不怎么发热 我的电路不怎么发热 体积尽量做得小 那么轻载的时候那点热量 反正这些电流小根本不在乎 那么效率低就低了 那么在这样的应用里面 我们建议大家是用耦合式的这个 PFC 这是非常适合的就是适用范围啊非常实用有效 那么还有一点 耦合式 PFC ,我们要注意的一个特点 我们讲极端的讲它是一个变压器 就是上面和下面是一个变压器 那么既然是变压器 我试想一下 如果我关掉一边 因为我们毕竟是把一个变压器的两个绕组 来当 PFC 电感来用了 所以关掉一边你就会发现马上就会发现 这个变压器马上就饱和了 因为它直流的,就偏磁了实际上 所以说也就是说如果耦合度越高 它越容易饱和 就是我们这两个驱动啊如果稍微有点不对称 那么它饱和就非常容易 所以这是我们要注意的现象 那么在耦合式的这种应用里面 我们一般建议大家啊 这两个通道要么就开都开 要么就要关都关 一旦某个地方出现的问题一块都关掉 否则的话它很快就饱和 如果你反应不快 那管子就会炸掉 那管子就会炸掉 所以说这是耦合式的一个特点 当然了你如果要提高抗饱和能力 那我们可以选择类似中间这样 我把耦合系数降低一点 哪怕有点偏我也不容易饱和 那么这个这种做法是比较合适的一个选取 那么有些折中 所以说这都是可以调的 那么实际上呢,很多的应用是这样的 还有呢就是我们在做这个电感的时候 有时候你想做那个耦合的这个耦合系数 不一定做得到 为什么 因为取决于我们的磁路的磁阻 你要想有那个磁阻的分配 因为我们还有材料特性对不对 导磁率是固定的 我们不是说有任意导磁率 这个比如说我做个铁硅铝 我想用一个 700μ 的铁硅铝 那可能你做不出来 没有啊买不到 如果我放了 700μ 我刚好我那个设计呢 是达到我所要的那个耦合系数 但实际上是不可能有这样的东西是吧 所以说你只能说用一个 比如说 60μ 的或者是 100μ 的或者 90μ 的 或者多少μ的 现有的这个规格 然后再进行调调气隙改改什么 所以说有时候你想做你要的那个耦合系数 不是那么容易能做出来的 所以这里头呢就不要太追求理想化 就是我们追求的就是说 在我们大致的这个能使用的能选择的这个取材的情况下 那么基本上达到你的设计概念 那就是非常好了 那么这就是我想跟大家讲耦合电感 耦合式这种 PFC 的一些非常重要的一些理念 或者是说我们使用范围 那么到现在为止 我们 PFC电源设计和 PFC 电感计算 整个系列讲座就到此结束了 非常感谢大家 再见
课程介绍 共计25课时,5小时51秒

PFC电源设计与电感设计计算


讲师

讲师: 邵革良

田村(中国)企业管理有限公司上海研发中心 所长中国电源学会专家委员会 委员中国电源学会磁技术专业委员会 委员中国电源学会磁元件技术服务专家组 副组长中国电源学会标准化委员会 委员深圳市科技专家协会 科技专家深圳市科技创新委员会 专家 20年的一线电源研发的资深经验,先后从事并主持过电机调速变频器、逆变焊机、通信一次电源系统、电力系统直流操作电源系统、CBB波音商用飞机宽带互联网机载电源系统、高效率DC/DC砖块电源、电流传感器、变频空调及光伏逆变器、新能源汽车等各种新型磁元件的众多研发项目。 拥有众多的与国际一流研发团队的合作经验,并精通于电源和磁元件产品的可靠性研发管理和实践。特别是在新能源磁元件领域,通过大量的原创性技术创新和行业应用推广,引导着世界功率磁元件的技术变革。 其中完成电源及磁技术等领域多国专利申请40余项,并已取得7项国家发明专利受权。

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