了解交流电源的特殊性了解PF和THDPPFC原理和实现思路APFC原理和实现思路了解交流电源的特殊性 　　

　　

　　理解供电厂与用电设备模型 　　

　　

　　供电厂提供的是交流电，也就是说供电厂提供的能量是以正弦形式波动的，而不是恒定的功率。 　　

　　

　　发电厂与电气设备之间的输电线路有电阻，会消耗能量。 　　

　　

　　电气设备有电阻性、电容性和电感性。 　　

　　

　　 　　

　　

　　各种负载类型的设备的等效电路 　　

　　

　　 　　

　　

　　各种负载的条件 　　

　　

　　下图显示了四种类型负载的能耗。 　　

　　

　　 　　

　　

　　详细分析各种负载(电阻与电感) 　　

　　

　　从上图可以看出，消耗的功率=U*I，电阻总是消耗正功率，电容和电感不消耗。一会儿正功，一会儿负功，也就是说电感电容一会儿从供电厂吸收能量，一会儿给供电厂提供能量。 　　

　　

　　出现这种现象的原因是电感和电容属于储能器件，本身并不消耗能量。 　　

　　

　　在这个能量储存和释放的过程中，所有的能量都消耗在供电线上。由于用电设备不消耗能源，供电厂无法收取电费，但供电厂仍需设置相应的供电设备，持续提供能源。 　　

　　

　　详细分析各种负载(二极管)。 　　

　　

　　由二极管和电容组成的整流电路用于产生DC输出。这是一个很常见的结构。只有当交流电压高于电容电压时，二极管才能导通，才有电流。为了提供全周功率，在这个范围内必须有大电流，即交流电源必须在短时间内给设备提供足够长时间的能量。 　　

　　

　　由于发电厂只能产生正弦功率输出，为了达到这个目的，发电厂必须建造远远超过正常消耗的供电设备来维持用电设备的用电量。 　　

　　

　　了解PF和THD 　　

　　

　　功率因数 　　

　　

　　为了描述电容和电感引起的电流和电压不同步的情况，引入了功率因数的定义。 　　

　　

　　使用电流和电压相角差的余弦作为功率因数。 　　

　　

　　PF大还是小好？ 　　

　　

　　 　　

　　

　　总谐波失真(THD) 　　

　　

　　非正弦周期波形可以分解成傅立叶级数，这样就可以得到周期波形的基波和谐波。 　　

　　

　　总谐波失真用于表示每个谐波的幅度。在电源领域，谐波的大小是指电流的大小。 　　

　　

　　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，供电厂必须付出额外的努力来产生所有的高次谐波。所以THD实际上描述的是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是产生一些高频信号，会对其他器件产生干扰。这种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束正弦信号，或称交流信号。交流信号讲究有效值，所以必须用平方根计算。其公式如下： 　　

　　

　　第一步是计算每个高次谐波与基波的比值； 　　

　　

　　第二步，比值求和。理论上H可以取无穷大，但实际应用中H不会取很大。一般几十就够准了； 　　

　　

　　第三步，开方。 　　

　　

　　 　　

　　

　　谐波失真的图形表示 　　

　　

　　总谐波失真代表电源容量的浪费，高次谐波的幅值代表电磁干扰的强度。所以通常用图标来表示谐波失真，以便形象地看到谐波失真造成的电磁干扰的危害程度。 　　

　　

　　 　　

　　

　　偶次谐波和奇次谐波 　　

　　

　　仔细观察表明，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，如下图，此时，功率因素的定义为：

　　

　　

　　

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。

　　

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2个：

　　

★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；

　　

★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。

　　

--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VAC<VDC时，二极管就会截止，只有VAC>VDC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。

　　

　　

　　

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，电感的电流电压关系为：

　　

　　

　　

★所以开关电源需要控制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。

　　

　　

　　

3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。

　　

★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：

　　

★流过电感的电流的峰值包络为正弦；

　　

★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，如下图所示：

　　

★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如下公式来表示：

　　

　　

　　

●这个公式可以看到，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：

　　

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

　　

--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，如下图所示，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。

　　

　　

文章整理自网络

　　

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