3.2 (三) 常见PFC电路和特点(2)

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就有三个电位 像这个呢它只能管子只能是 要么是 0 要么 800V 所以说我们就知道 这样一来的话呢 虽然输出电压是 800V 我们这个管子上开关管所承受的电压 最高的电压是 400V 所以它把电压降了一半 就是管子的耐压能力提升了 实际上是这个意思 就是说我们选择的时候 我在这个电路里面 我实际上呢选 600 伏的管子够用了 在这个电路里面这个管子必须选 900 伏了 所以说这个管子的电压下降了 这是第一个好处 第二个好处是什么呢 因为我这个这个电感上承受的电压 这个是要承受 800 伏的升压 这个只承受 400 伏的升压 不管正面还是反面 那么所以说达到同样纹波的时候 那么它的电感量可以小一半 如果频率不变 如果频率不变它就会小一半 但是其实呢我们采用了三电平的时候 往往我们频率是变的 为什么频率是变的呢 频率可以提高 我们大功率用的时候 三电平往往都在大功率应用 都不是小功率 大功率应用呢往往会采用什么 IGBT 来做 因为它功率容易做的更大 电流更大 那 IGBT 它有个缺点是什么 他的频率开不高 但是呢如果我 IGBT 我选的比较低压的管子 那么我在同样电流的情况下 我频率肯定比高压的管子要开得高 所以说相对来讲 如果我在这个电路里面用 IGBT 管子 900 伏的管子 比如说用 60A 900V 的管子用在这个地方 那这个地方我 600V 60A 那我显然 600V 60A 的开关损耗小得多 我可以把频率提高一点 在这种情况呢我频率降低一点 比如说我这个用的 40k 能用的时候 这个地方可能用 30k 或者 20k 实际上是这样 那也就意味着我两个拓扑不一样 我同样用 IGBT 我这个频率可以开高 电感量承受的电压低 电感量又可以小一半 频率开高呢不开高的情况下可以小一半 频率开高的时候是不是电感量可以更小 所以说用这种三电平的方案 同样达到输出 800V 的情况下 这个电感量会比这个电感量小得多得多 所以说这是用三电平的非常大的优点 也就是做实现大功率的时候呢 可以做的更加的便宜更加廉价 当然了 如果是你不嫌麻烦 你可以把三电平变成交错并联 交通并联那就更牛了 那往往但是那时候呢器件会很多 你不到万不得已一般不这么做 那么这边的图形呢就是说我们就把这个 单相的把它变成三相的 因为往往三电平的时候呢 我们都是输出功率非常大 像充电桩我们一个模块 15 个千瓦 所以说一般都不会有单相 因为单相没有什么大电力给你供应过来 其实就用三相供电 那三相供电只是把这个做成三块就好了 那么它的分时驱动呢 实际上跟上面的分时一样 所以说这个呢只要我们把时序图画出来 那么这个驱动就可以很轻松的解决 那这是我们非常传统的 现在大量应用的 就是充电桩里面的三相的 我们也可以叫维也纳结构 这样道理是一模一样 那么懂得这个道理 我们设计的时候大功率的时候 用这种电路呢 我们达到这个目的 就是一个是降低成本 一个是提高效率 当然呢由于这个三电平的方案 当然呢由于这个三电平的方案 这个电压应力比较小 所以 EMI 是有改善的 也会非常的有利 即便是有快恢复效应 那这个电压高快恢复肯定厉害 那这个呢肯定会会减轻 所以说这个是 我们掌握了这些特点优点特点之后 我们就可以比较有的放矢地 去构建我们的电路结构 讲到这儿我们有一点 就是做空调的电源工程师 可能对这个方案就非常的熟悉了 这个我们叫部分开关的工作模式 一般我们不叫它为 PFC 因为它的目的呢 我们往往讲 PFC 的时候呢 一般都是指高频工作 把电压升上去 升到 380 也好 800 伏也好 400 伏也好 这种稳压的电路呢我们叫 PFC 电路 就是一般我们叫是这么叫的 在这个电路里面呢 我们只是叫部分开关方案 它有什么不一样呢 我们讲啊前面我讲过 我们所有的 PFC 电路的最重要的一个目的是什么 是解决高次谐波的问题 我们并不是要先要解决稳压和升压的问题 所以说呢我们特别是在空调应用里面 我们是需要把高次谐波解决就好了 至于稳压和升压需不需要呢 那需要的时候把它升起来 不需要的时候就不这样做 因为我们最重要的像空调里面 所必须要解决一个高次谐波的问题 那么这个方案呢其实呢是很多年前 应该是 90 年代有日本的日立的工程师发明的 那这个工程师很了不起 做了一个非常简单的这个发明 而这个发明呢到现在为止也没有被淘汰掉 已经有20多年的历史了20来年的历史了 所以说牛得不得了 那么我们怎么讲牛的不得了呢 你要看理论上其实没什么牛的 谁都会 但是实际上呢 因为它用到产品里面去 它就没有一个 到现在为止几乎还没有比它更加有竞争力的方案 我们来介绍一下 我们这个地方是一个整流桥 这些常规整流桥整流之后 全波整流变成了这个馒头波 放上去 它这个地方呢放了个低频的电抗器 就是低频的电感 所谓的低频是什么呢 你看这个图 这个是用硅钢片做的 这个缝隙里面 甚至是拿硅钢片直接焊接起来融接了 你说这个地方肯定会产生涡流损耗的 但是呢它好在哪呢 它工作的 50 赫兹它不在乎 所以它可以很简洁这样 然后里头就是把这个线圈绕在里头 硅钢片里面那中间是开气隙的 开气隙这个地方是开了气隙 这样的话达到一个电感量 既然用硅钢片做 绕了这么多圈 我们就能想象出这个电感可以做得非常大 它不容易饱和 硅钢片 所以说呢一般来讲呢可以做到多少个毫亨 大概五个毫亨或者十个毫亨或者更多 这么一个电感 而硅钢片又是非常便宜的 它工作的时候 这个 IGBT 看右边这个图 它是半个正弦波是 这个半个波里面呢它是开了两次关了两次 那有的呢甚至开一次就结束了 那有的当然会开多几次 但是不管多几次它都是很低的频率 50 Hz 来一下就是 100Hz 的 因为他是个这是半波 那么两个半波就两次 所以说如果说这个我像我现在花两个的 就等于是说是 200Hz 工作 那你想想这个电感是在 200Hz 工作的 那个高频的损耗几乎没有 根本没有高频损耗 其实这个 IGBT 是 200Hz 工作得非常低的频率 所以他没有 EMI 的问题 基本上不存在 那么这个电路呢 实际上电感的硅钢片虽然是低频的硅钢片 它只有 200Hz 工作 所以硅钢片的高频损耗也非常的小 所以说这一部分呢就相当于我们模拟电路很像 但是它做了这个东西 起到一个什么作用呢 我们的电感放在这个地方 电感放在这地方 它电压往上升的时候 我要升的时候呢这个地方电压是高的有电容 所以说电流是过不去的 它不会往里头流 那为了强制的把电流拉起来 因为要跟随这个电压跑 因为要跟随这个电压跑 要强拉起来那我就强制把它短路上 就是这地短路 所以说电压即便很低电流一定会往里头进 所以说这个时候呢 靠这个电感把它短路 充电就是给电感充电一直充 这个波形就一直往上升 充到一定高度把它关一下 关一下它就开始放电了 因为这个电压依然是不高 那么它一直关一下呢 这个电流肯定会往这里头灌进去 因为它续流 所以说呢这个二极管肯定也是工频工作的 根本不需要高频 所以说呢往里头续流了 那续流的过程中 等于这个电压呢就是反向加在这上面了 所以说这个电压呢就倒过来了 就是在电压会下降 它会掉下来一块 掉下来一块 如果觉得波形还不够理想 那我再开一次他又爬上去 因为这时候电压比较高的输入电压比较高了 所以开始那个爬升率就会快得多 所以这又爬上去 然后我又关一次 那这个是一个例子就是做了两次 那有的呢甚至一次就 OK 了 那有的呢可能会多几次 反正总之是低频的 然后呢它这个目的就是把它那个电压比较低 输入电压比这个电容电压低的这一块 把这个电流波形做的有点像正弦波 拉起来了没有这地方 像前面画的这个完全没有电流 不会这样 然后高到一定程度的时候 它就把它关掉了 关掉的时候呢它会掉下来 掉下来之后呢 后续的电压真的蛮高了 比这个电容器的电压高了 那么它自然就往里头灌电流了 所以说通过这种简单的方式 让这个电流波形呢很接近于正弦波 那接近到什么地步呢 把电感量和这个时间时序调好 跟负载有关系 跟负载都调好了之后呢 它可以做到就是这个电流波形 符合 IEC61000-3-2 的标准 就是高次谐波那高次分量比例非常的小 那么这样一个想法 这个 Idea 其实呢不是很难 但是这么一想法非常现实 它可以用低频的东西 又非常简单没有EMI的问题 而且效率又很高 没有高频损耗 它解决了这个高次谐波的问题 那它这种方式呢唯有一个缺点 某种意义上有个缺点是什么呢 就是这个电压呢肯定不是升压的 相当于整流 比如说我输入的 220 进去了 那峰值是 311 那么通过这个呢到这个地方也就 300 伏左右 也就是它不能实现升压功能 但是它可以实现把高次谐波解决掉这个功能 而且呢这种方式当然随着负载的变化 它这个肯定要调整 这个开关的时间各方面调整 那么所以说把这个电感量 和负载和输入电压 这个一一对应关系都把它对应好 那么把驱动比如做一个表进去 放在我们一个单片机里面 然后这查表就好了 输入电压多少伏我这时候要达到多少功率输出 我就查表然后这个也控制也非常简单 所以说可以做得非常棒的 一个这个高次谐波的控制器 所以说这就是一个廉价型的高次谐波的改善方案 所以说我们往往做开关电源的工程师 你的脑袋里面是想不到这种方案的 因为你想的更多的是我怎么去解决这个高频 只要 PFC 我们就想到把它升压升起来 只要一升起来就做不到这个功能 其实那么人家的工程师为什么能想到 因为他脑海里面很清楚 我要解决的是高次谐波的问题 升不升压已经不是很重要了 先解决高次谐波的问题 只要我用能解决高次谐波的问题 又做到便宜而且没有 EMI 那就是好方案 所以一旦把这个方案发明它一旦发明出来之后 所以它整整统治了我们全世界的变频空调 这个空调界的这个主流方案 到现在为止 我们买到的家用的变频空调 不管是你一匹半还是三匹五匹的 绝大部分还都是这种硅钢片的电感 你打开看只要里头是这样的硅钢片电感 一定是这样的方案 所以说那它的影响力巨大 所以说那么这个工程师呢 据我了解是因为有类似这样的贡献 所以说在日本享有了盛名 所以说我们不要老盯着 我们这个这个开关电源一定要怎么样怎么样 其实我们最重要的是要完完全全落地解决问题 解决问题做的又廉价又可靠又没有 EMI 的问题 那么这才是我们真正我们市场上需要的好方案 我想呢为什么我要把这个例子拿出来讲 就是想告诉我们 不要被我们传统的观念所固定死 我们一定要知道我们做电源的目的是什么 紧紧围绕我们的目的 用你的智力 用你的智慧 去做出的这种方案就一定是最好的最棒的方案
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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