2.1 (二) 常见PFC电路和特点(1)

各位电源工程师朋友们 大家好 我是邵革良 从这一讲开始 我们开始讲解 PFC 电源设计与电感的设计计算 里面的第一部分 第一个讲解 就是常见的 PFC 电路以及它的特点 我们这个 PFC 电路和特点 我们分两讲来讲 今天是讲第一讲 这一讲的主要内容是四个方面 第一个就是我会介绍一下 连续电流模型和临界电流模型 它的特点和区别 那么第二个呢 再去介绍我们单路的 PFC 和交错并联 PFC 那么紧接着就是无桥 PFC 我们为了提高 PFC 的电源效率 所以一定要把前面这一个整流桥去掉 整流二极管的压降很高 所以这一个部分把它去掉之后呢 来改善我们 PFC 的运行的效率 所以无桥 PFC 我们会使用得越来越广泛 最后呢 会介绍一下单路单相的 PFC 和三相 PFC 主要是这四个方面 那么讲到 PFC 电路呢 其实我们有个概念 非常希望大家去了解或者是理解 我们很多电源工程师 一上来就说 PFC 电路上 讲到 PFC 马上就会说 它主要是一个升压 把这个电压稳定住 达到比如输出单相输入的时候 达到一个 380V 或者 400V 左右的直流 然后给后面供电 所以我们想到 PFC 的时候 往往脑袋里有这么一个印象 其实这就有一点 忘掉了 PFC 这个电路是为什么出来的 为什么要用 我们讲到电源 其实供电都是交流电就是交流的电源供电 我们有一个整流电路 最后变成一个直流了 最后我们给负载供电 无论是 DC/DC 后面的 DC/DC 逆变 或者说我们把 DC/AC 变成了交流电输出 像这个给电机驱动 压缩机驱动 或者是给其他的一些变成一个 UPS 交流的输出 不管怎么变 我们都是需要把这个交流电 50Hz 的交流电 把它整流变成直流 最终利用了这个直流 来进行各种各样的高频的变换 所以为什么要引入 PFC 不要行不行 其实从我们在后面这个电路里面 在负载使用的时候我们要的是一个直流电 但是我们电网进来的肯定是 50Hz 或 60Hz 的交流电 所以一定要把交流电整流变成直流 那其实不要 PFC 一样好用 而且电磁兼容的问题还简单了 就是直接把它整流滤波就好了 问题就是什么呢 就是我们整流这个整流滤波之后 比如说我这个整流直接接了一个电解电容 比如说我这个整流直接接了一个电解电容 在这滤波 那么大家可以看到我们这个波形 这一个正弦波波形是我们输入的电源电压 就正弦波的电压 这个黑的颜色实际上是我们这个电容器的电压波形 就是有点带点纹波的直流 已经变成直流了 这个时候我们看输入的 iAC iAC 的波形你会发现 它实际上是一个锯齿波一样的东西 为什么是这样呢 就是说在我们输入的电源电压的时候 低于输出 Vc 这个电压 它实际上是没有电流往里面流的 没有电流往里面流的这个电流是零 等到这个电压开始超越后面电压的时候 通过这个二极管 强制就相当于为零的时候 就相当于强制短路了 就是直接给电容器大电流的灌封 所以电流瞬间就提升到很高 那么直接就灌进去了 灌进去之后随着电压继续往上涨 这个电容充电电压往上拉的时候 电流就会往下降了 那么达到最高电压点的时候 正弦波最高电压点等于充电充满了 那么下来就掉下来就没有电流了 所以必然会形成一个类似这样的三角形的 锯齿波这样的东西 形成这样的电路呢 其实对我们的后期来讲是根本不在乎的 问题在于什么呢 如果我们形成这样的一个波形 不是电流波形 不是一个正弦波 按照我们高等数学里面学过 傅里叶变换 也就是说任何一个周期性的函数 我们都可以把它分解成由一次 有基波 就是一次的 我们说的这个一次就是 50Hz 如果整流之后把它翻上去就是 100Hz 就是说有 100Hz 还有若干个无限多次的 高次谐波的一个组合 也就是说如果两次 100Hz 就变成了 200Hz 了 三次就变成了 300Hz 了 那也就是说它任何一个这样的函数 周期性的函数都可以被 分解成 一次的两次的三次四次一直到 N 次 由这样的波形的组合 最后的组合之后 就变成了我们出来这种稀奇古怪的 这种电流波形 但是当然了 周期性函数是理想的周期性函数 它是没有这个 二次四次这个偶次谐波 就是说是单次谐波 就是一三五七九这样 那么不管有单次还是偶次 也就是它总是它不是 100Hz 的 也就是从电网来看并不是 50Hz 的 不是 50Hz 的有什么问题 电流一定要从电网里面来拉进来对不对 就是我们假设电源这个地方 我们的电源插座 外面接到哪去了 接到我们的三相工频变压器上去 那么也就是说 100Hz 也好 200Hz 300Hz 甚至几千赫兹 这个电流一定要从电源拉进来 但是变压器只是 50Hz 的 也就是说这一部分的电流 必须从变压器拉过来 或者是变压器旁边的电力电解电容里面往外放 所以它问题就出在这个地方 就是这就是高次谐波 而这些高次谐波最终都会形成变压器的发热 和电力电容器的发热 如果变压器能承受得了 电容器又不进行滤波 电容器又不进行滤波 那么都返回到最终的发电机里面去了 都会烧毁 变压器也会烧毁 发电机也会烧毁 所以引起电网的解列 就是电网瘫痪 为了解决这个问题 实际上我们希望 希望我们交流输入的时候 最好是直接接一个电阻负载 也就是说交流电 交流电的这个正弦波波形的 电流波形也是正弦波的 不光是电压 电压和电流是完全是同步的 完全是实时同步的 就不会又滞后 不会有超前 那么如果是能达到这样的话 这样对电网的影响最小 为了解决这个问题 所以说我们国际上就有一个这个 IEC61000-3-2 的高次谐波的标准 就是防止对电网造成这个重大的事故来定义的 那么讲到这儿大家都清楚了 也就是说我们不管是 DC/DC 还是 DC/AC 我们这种的应用 我们供电都是交流电 正弦波进来的 所以既然是正弦波过来 后面我们一定有一个电容器的大电解 或者是大容量的电容器去滤波 那么必然如果不进行这个电流波形的处理 它必然会形成一些 不同于正弦波的各种各样奇怪的波形 这些波形就会产生高次谐波 而这些高次谐波只要送到电网里面去 就会对电网里面的电力变压器 电力电容等等会造成伤害 甚至严重的时候会烧毁 那么 为了解决这个问题 所以说我们要求从电网进来的时候 要求是我们所有的用电负荷 必须是尽可能地做到呈电阻负载 因为电阻负载就不存在这个问题 所以从这个意义上来讲 PFC 有什么目的 PFC 实际上最终的一个目的 就是抑制高次谐波 这个主要是指电流谐波的 就是不能让它出现两次的三次的四次的五次的 一直到 N 次的 那只保留一个基波就是一次的 50Hz 或者 100Hz 的 那么这种情况 这是我们做 PFC 电路的一个最重要的目的 所以我们千万不要把这个目的忘掉了 我们大部分的工程师一上来就是下面这个目的 输出稳压调压 我们因为这个电路 刚才看到的这个电路实际上输出电压是 比如 380 也好 400V 直流也好 就是用它来稳压或者调节电压的 其实我们电源工程师时常呢就把 真正重要的高次谐波的抑制的根源 为什么这样就把它忘掉了 很重要的 只盯着一个 稳压和升压这种功能 那么这个就是我们一定要重视的问题所在 重视了这个问题所在 所以说其实我们的目的很明确 就是要不要让它出现这种高次谐波 让它来符合我们 IEC 的标准 来支持 PFC 电路的 为什么设计它的 最重要的目的 那么一旦离开了这个条件 所以我们就不要去谈 PFC 了 比如说我们很多 DC/DC 的电路里面 它也要有个 Boost 升压 它输入的是电池或者太阳能电池板 包括光伏逆变器 它有一个 Boost 升压 那么后面把它逆变成交流 返回到电网去 所以这里面就不存在 PFC 的说法 所以我们叫 Boost 电路 就是升压电路 当然它也有个高次谐波的抑制 它在哪里呢 它比如说这个地方不是接电机 是接到电网里面去了 所以它并网 那如果我们逆变器产生的波形 电流波形畸变 如果灌到电网里面去 也同样会产生同样的问题 所以也必须满足 IEC61000-3-2 这种标准 那这就是我们 刚才讲的问题所在 所以我们理解了这一点 所以什么时候我们叫 PFC 什么时候叫 Boost 升压 为什么这么叫 这个大家就非常好理解了 就非常清晰了 所以这一点我特地把这个内容讲得多一点 就是我们千万不要忘记了我们做事情的目的和本源