精辟!就这样把PF和PFC讲透了!



01
理解交流供电的特殊性

理解供电厂与用电设备模型

  • 供电厂提供的为交流电 , 也就是说 , 供电厂提供的能量是呈现出正弦形式的波动的 , 而不是一直持续不变的功率 。
  • 电厂到用电设备之间的传输线是有电阻的 , 这些电阻会消耗能量 。
  • 用电设备有电阻性的 , 也有电容和电感性的 。

详细分析各种负载的情况(电阻V.S. 感容)

【精辟!就这样把PF和PFC讲透了!】消耗的功率=U*I , 电阻消耗的总是正功 , 而电容和电感却不是 , 一会正功 , 一会负功 。也就是说 , 电感和电容一会从供电厂吸取能量 , 一会向供电厂提供能量 。

这个现象的原因是:电感和电容属于储能设备 , 本身不消耗能量 。

在这个储能放能的过程中 , 能量都被消耗在了供电线上了 , 用电设备由于没有消耗能量 , 供电厂不能收取电费 , 但供电厂依然需要架设对应的供电设备 , 并且不停的提供能量 。


详细分析各种负载的情况(二极管的情况)

二极管形成的整流电路 , 加上电容 , 用来产生直流输出 , 这是一种很常见的结构 , 只有在AC电压比电容电压高时 , 二极管才能导通 , 此时才有电流 , 为了提供整个周期的功率 , 在此范围内必须有很大的电流 , 也就是说 , AC源必须在短短的时间内提供够用很长一端时间的能量给设备 。

由于供电厂只能产生正弦形式的功率输出 , 为了达到这个目的 , 供电厂必须建设远超出正常消耗的供电设备 , 以维持用电设备的用电 。


02
理解PF和THD

功率因数(PF)

为了描述这种电容电感导致的 , 电流和电压不同步的情况 , 引入功率因数的定义 。

用电流和电压的相位角之差的余弦值作为功率因数 。那么 , PF是大比较好 , 还是小比较好呢?


总谐波失真(THD)

非正弦的周期波形能够拆分成傅里叶级数 , 这样就得到了该周期波形的基波和各次谐波 。

用总谐波失真来表示各次谐波的大小 , 在供电领域 , 谐波的大小特指电流的大小 。

THD大还是小比较好?


谐波失真的危害
供电厂产生的电流波形是基波的正弦 , 而其他高次谐波的波形是供电厂无法产生的 , 因此供电厂必须使出额外的力气来产生所有的高次谐波 , 因此THD实际上描述了供电厂必须具备的额外供电能力 , 或者说做的无效功 。

谐波失真的其他危害还表现在产生了一些高频的信号 , 这些信号会干扰其他设备 , 这个干扰可以通过线路传导 , 也可以通过辐射传播 , 线路传导称为RFI , 辐射传播称为EMI 。

总谐波失真的具体计算

谐波失真描述的是一堆正弦信号 , 或者说交流信号 , 交流信号讲究的是有效值 , 因此必须使用方和根来计算 , 其公式如下:

第一步 , 求出每一个高次谐波和基波的比值;

第二步 , 比值求和 , 理论上H可以取到无穷大 , 但实际应用中 , H不会取很大 , 一般几十就足够精确了;

第三步 , 开方 。


谐波失真的图形表示

总谐波失真代表了供电能力的浪费 , 而高次谐波的幅度则代表了电磁干扰的强度 , 因此通常还会使用图标来表示谐波失真 , 这样可以比较形象的看出谐波失真的电磁干扰危害程度 。

偶次谐波和奇次谐波

仔细观察可以发现 , 电流谐波失真图上 , 偶次谐波的分量几乎为0 。

这个不是偶然 , 在电力领域 , 谈到谐波失真 , 都不需要考虑偶次谐波 , 只考虑奇次谐波 , 因为偶次谐波分量可以忽略 。

偶次谐波分量为0的原因在于电流波形总是呈现正负对称的形式 , 这种对称波形称为奇谐波形 , 其偶次分量为0 , 其分析如下:


考虑THD后的PF

真实应用中 , 设备往往同时包含电容/电感和有源器件 , 因此电流波形既表现出和电压正弦的相位差 , 又表现出非正弦特性 。

小结
现在可以看到 , 对用电设备的友好性可以用PF来衡量 , 很多时候PF和THD是存在关系的 , THD越大 , PF越低 , 但THD小不意味着PF高 , 还要考虑电流相位的影响 。

THD既要小 , 同时还要在高频处的谐波分量尽量的小 , 以减少干扰 。

03
PPFC原理及实现思路

功率因数校正(PFC)的基本思路

PF低的原因有2个 , 电容或电感引起的电流相位偏移 , 有源器件引起的波形失真 。

提高PF的电路称为PFC电路 , PFC的思路也是分为两个:一是 , 增加补偿电路 , 比如负载为电容 , 就在供电线路上加入电感 , 这种方法称为无源PFC , 常用于只有相位偏移的场合;二是 , 对于开关电源来说 , 主要的问题是波形失真 , 因此不能采用无源PFC , 只能采用其他方法 , 这些方法统称为有源PFC 。

而有源PFC也分2种 , 一种是PPFC(被动式PFC) , 另一种是APFC(主动式PFC) 。

有时候 , 将无源PFC也归为被动式 , 这样PFC分P和A两类 , P又包括无源和有源两种 。

PPFC电路

使用一种称为逐流电路的结构可以提高开关电源的PF值 。

注意逐流电路的连接 , 当VDC比2个电容电压加起来还高时 , 逐流电路充电 , 当VDC比2个电容电压并联的电压低时 , 逐流电路放电 , 当VDC介于两者之间时 , 逐流电路既不放电也不充电 。

两个电容完全相同 , 因此电容的电压总是会自动保持相等 。


逐流电路提高PF值的方法

假如没有逐流电路 , 当VACVDC时 , 二极管才导通 , 加上逐流电路后 , 当VAC小于两个电容电压之和时 , 二极管依然导通 , 直到VAC小于电容电压 , 这无形中延长了二极管导通的时间 。

假设VAC为220V , VDC稳定在200V , 那么无逐流电路时 , 只有VAC>200V , 二极管才导通 , 有逐流电路时 , VAC>100V , 二极管就导通 。


逐流电路的叠加

从前面的分析可以看到 , 逐流电路是通过二极管环向 , 使得电容是串联充电 , 并联放电 , 串联时数量为2 , 因此充放电区间的电压落差为2倍 。

如果希望提高逐流电路的PFC效果 , 可以将电压落差加大 , 增加到3 , 甚至4 。


04
APFC原理及实现思路

APFC的原理

开关电源的波形失真的罪魁祸首是整流桥后面的电容 , 使用逐流电路后可以缓解这个问题 , 但不能根除 , 而主动式PFC能够根除这个问题 。

主动式PFC的方法是直接将整流桥后面的电容直接去掉 , 让输入电流持续 。

光让电流持续还不够 , 还必须让整流桥后面的部分看起来像一个电阻 , 使得电流是随着输入电压的变化而变化的 。

因为开关电源在整流桥后面是一个电感负载 , 开关电源需要控制t , 来使得?vdt和V成正比 。


APFC的形式

开关电源是通过开关切换来间歇式的将能量传递过去 , 因此不可能使瞬时电流呈现出一个连续平滑的正弦波形 , 只能使平均电流波形呈现出正弦波形 。

一共有3种形式的电流波形 , 对应3种模式CCM , BCM(CRM) , DCM 。


电流平滑

开关电源只能制造锯齿形的电流 , 而PFC要求较平滑的电流 , 否则电流THD会很大 , 因此 , 需要在输入端加一个电流低通滤波电路 。

电流滤波使用电感和电容 , 电感对电流进行平滑 , 而电容储存能量 , 应付PFC过程中的电流突变 。


三种模式的对比

这三种模式 , 其本质上的区分是流过电感的电流 。CCM , 电感电流是连续的;BCM , 电感电流不连续 , 但不会持续为0;DCM , 电感电流有持续为0的时候 。

从电源功率来说:CCM > BCM > DCM 。

从理论上来说 , 高功率的也可以用于低功率 , 但CCM的控制环路存在巨大缺陷 , 无法做到高切换频率 , 因此在小功率段通常是不使用CCM的 。


BCM的实现方法

要让BCM的平均电流为正弦 , 需要两个条件:一是流过电感的电流的峰值包络为正弦;二是输入平均电流和电感峰值成比例 。

对于第二个条件 , 除了boost外 , 其他拓扑都做不到 。

Boost拓扑在整个周期内都有输入电流 , 平均电流正好是包络电流的1/2 , 而对于其他拓扑 , 只有在TON时间内 , 输入电流才有 , Toff时间内输入电流为0 , 这样就导致平均电流和峰值电流并不是一个固定的比例关系 。


Boost实现BCM的方法

电路需要得到2个时间点 , 当前周期的TON结束和当前周期的TOFF结束的时刻 。

当前周期的TON结束由电流峰值比较器来检测 , 而TOFF的结束由过零比较器来检测 。


导通时间的问题

仔细观察BCM , 可以看到导通时间貌似是恒定的 , 这个不是故意画得一样 , 而是有原因的 。

电感上的电流可以用公式来表示 , 电感上的电流直线上升 , 上升斜率取决于输入电压 , 而上升的终点同样取决于输入电压 , 这样就导致导通时间最终和输入电压无关了 。

PFC方法的改进-固定导通时间

又前面的分析可知 , Boost实现PFC后 , 导通时间变成恒定了 , 那么反过来 , 一上来就将导通时间设成恒定 , 是不是也能实现PFC , 答案是肯定的 。

改进后 , 就成了主动固定导通时间 , 因而省掉了峰值电流比较电路 。

固定导通时间是目前非常主流的PFC技术 , 适合用数字控制 , 计数器产生固定宽度的正脉冲 , 每次过零比较器检测到退磁点 , 便产生一个正脉冲 。


PFC电源调整输出电压的方法

很多电源都有稳压的需求 , 所谓稳压实际上就是调整电源传递的能量 , 对于固定导通时间来说 , 调整峰值电流的包络线就可以调整平均电流 , 也就调整了输入功率 , 进而调整了输出电压 。

因为输入电压为AC , 总是不变的 , 因此电感上电流斜率是不变的 , 缩放包络线后 , 相当于改变了峰值电流比较器的阈值 , 电感上的电流三角波会变化 , 包络线越矮 , 平均电流越小 , 输出功率越低 , TON时间越短 , 开关的切换频率越高 。


输出稳压的方法

由前面的分析可知 , 要调整输出电压 , 只需要调整TON即可 , 因此将输出电压反馈回来 , 调整TON即可 。


BCM的问题和解决

BCM的特点是输出功率越低 , 切换频率越高 , 如果电源本身需要在较大的输出功率内切换 , 比如调光 , 需要在1%-100%之内切换 , 开关管的切换频率也需要接近100倍的变化范围 。

这么大的变化范围是无法实现的 , 无论是MOS还是电感 , 都不可能在这么大的切换频率内始终保持最优工作状态 。

解决方法是在每个周期插入死区等待时间 , 使BCM变成DCM模式 。

加入死区等待的DCM

如果需要降低输入电流 , 可以不调整TON  , 但是在每个切换周期后面增加等待时间 , 输入电流降低越多 , 等待时间越长 , 在TON不变的情况下 , 输入电流越低 , 频率越低 。

如果调整范围不大的话 , 加入死区等待就足够了 , 如果调整范围大的话 , 可以结合死区等待和包络线调整 , 或者以一个为主 , 另一个为辅 , 比如以包络线为主 , 死区等待为辅 , 或者使用两个技术实现更精细的调整 。

--数字控制的方式 , TON的最小调整粒度为1个TCLK  , 而引入死区等待(补偿)后 , 最下调整粒度可以高于一个TCLK 。

结合死区等待后的稳压算法

同时使用调节TON和TDEAD后 , 控制算法会变得复杂 , 一种算法思路如下:

以TON为主来调节输出功率 , 通过TON调节包络线的高度 , TDEAD存在完全是为了调节频率 , 这样就得到了2种方法:

一是 , 先调TON  ,  TON调不动了后再调TDEAD  , 或者先调TDEAD , 再调TON;

二是 , 先调TON  ,  TON调不动了后再调TDEAD  , 或者先调TDEAD , 再调TON;


对比几种算法

从开发难度来说 , 一次调一个参数肯定比一次调多个参数要简单 , 但一次调多个参数可以实现更丰富的算法 , 比如对参数进加权 , 就可以实现不同的曲线效果 , 甚至可以做到自始至终切换频率不变 。

注意到两个参数的曲线总是不同趋势的 ,  TON增加 , 切换频率降低 , 而TDEAD 减少 , 切换频率升高 , 因此理论上可以做到切换频率不变 。


死区时间的多周期均衡关系

在BCM情况下 , 平均电流天然就是正弦 , 而引入死区等待后 , 变成DCM , 平均电流不再能天然正弦 , 这个时候需要使用数字算法来均衡每个周期的TDEAD , 使平均电流依然既能保持正弦形状 。

所谓均衡 , 就是指插入到各个周期内的TDEAD保持一定的关系 。

均衡算法的开发思路如下:


扩展到其他拓扑

前面分析过 , Boost相比其他拓扑的优势在于 TON和 TON都有输入电流 , 但引入死区时间后 , TDEAD还是没有电流 , 此时Boost相比其他拓扑的优势实际上没有了 , 因此可以使用任何拓扑来实现PFC 。

假设依然使用固定导通时间 , 其他拓扑的TDEAD均衡算法开发思路如下:


PFC和恒流的冲突

前面都是通过调节输出电压来调整输出功率 , 但很多应用中是通过调节输出电流来调整输出功率的 , 这就给PFC带来了很大的一个难题 。

稳压和稳流最大的不同 , 在于稳压只需要保证很长一段时间内平均输出电压恒定即可 , 而目前的稳流技术则需要使得每个切换周期的电流都保持恒定 。

为什么电压可以看一段时间平均电压 , 因为负载端都带有大电容 , 这个电容上的电压就是一段时间内的平均电压 , 将这个电压采样反馈到输入 , 就可以调节平均电压 。

而电流则不行 , 目前没有方法能让每个周期电流都变化 , 而平均电流在一段时间内保持恒定 , 因为没有办法来采样一段时间内的平均电流 。

PFC要求电流为正弦状 , 也就是每个周期都不一样 , 而恒流要求电流每个周期都一样 , 这样就形成了一对不可调和的矛盾 。

解决PFC和恒流的冲突

目前没有看到有很好的方法能够简单的同时提高PF和恒流精度 , 已知的几种方法如下:

采样2级方案 , 第一级为Boost , 实现高PF , 第二级实现恒流 , 这样就避开了两者的冲突 , 但缺点是成本高;

采用切分周期的方法 , 将一个AC周期分成多个时间段 , 一些时间做PFC , 另一些时间做恒流 , 这样可以单级实现 , 但效果相比2级就要差一些了 。

对于大功率 , 成本不敏感的场合来说 , 使用2级方案是很合适的 , 但对于成本敏感的场合 , 就需要下很大的功夫来进行优化了 。


-END-
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