各種負載類型的設備的等效電路

 

 

 

下圖示出了4種類型負載的消耗能量的情況

 

 

 

由前麵的圖可以看到，消耗的功率=U*I，dianzuxiaohaodezongshizhenggong
，erdianronghedianganquebushi
，yihuizhenggong，yihuifugong，yejiushishuo，dianganhedianrongyihuiconggongdianchangxiqunengliang
，yihuixianggongdianchangtigongnengliang。

 

這個現象的原因是，電感和電容屬於儲能設備，本身不消耗能量。

 

在zai這zhe個ge儲chu能neng放fang能neng的de過guo程cheng中zhong，能neng量liang都dou被bei消xiao耗hao在zai了le供gong電dian線xian上shang了le，用yong電dian設she備bei由you於yu沒mei有you消xiao耗hao能neng量liang，供gong電dian廠chang不bu能neng收shou取qu電dian費fei，但dan供gong電dian廠chang依yi然ran需xu要yao架jia設she對dui應ying的de供gong電dian設she備bei
，並bing且qie不bu停ting的de提ti供gong能neng量liang。

 

 

 

二極管形成的整流電路，加上電容，用來產生直流輸出，這是一種很常見的結構
，隻有在AC電壓比電容電壓高時

，二極管才能導通，此時才有電流，為了提供整個周期的功率
，在此範圍內必須有很大的電流
，也就是說，AC源必須在短短的時間內提供夠用很長一端時間的能量給設備。

 

由於供電廠隻能產生正弦形式的功率輸出
，為了達到這個目的
，供電廠必須建設遠超出正常消耗的供電設備
，以維持用電設備的用電。

 

 

 

為了描述這種電容電感導致的，電流和電壓不同步的情況，引入功率因數的定義。

 

用電流和電壓的相位角之差的餘弦值作為功率因數。

 

PF大還是小比較好？

 

 

 

非正弦的周期波形能夠拆分成傅裏葉級數，這樣就得到了該周期波形的基波和各次諧波。

 

用總諧波失真來表示各次諧波的大小
，在供電領域，諧波的大小特指電流的大小。

 

THD大還是小比較好。

 

 

 

供(gong)電(dian)廠(chang)產(chan)生(sheng)的(de)電(dian)流(liu)波(bo)形(xing)是(shi)基(ji)波(bo)的(de)正(zheng)弦(xian)，而(er)其(qi)他(ta)高(gao)次(ci)諧(xie)波(bo)的(de)波(bo)形(xing)是(shi)供(gong)電(dian)廠(chang)無(wu)法(fa)產(chan)生(sheng)的(de)
，因(yin)此(ci)供(gong)電(dian)廠(chang)必(bi)須(xu)使(shi)出(chu)額(e)外(wai)的(de)力(li)氣(qi)來(lai)產(chan)生(sheng)所(suo)有(you)的(de)高(gao)次(ci)諧(xie)波(bo)，因(yin)此(ci)THD實際上描述了供電廠必須具備的額外供電能力
，或者說做的無效功。

 

xieboshizhendeqitaweihaihaibiaoxianzaichanshengleyixiegaopindexinhao，zhexiexinhaohuiganraoqitashebei，zhegeganraokeyitongguoxianluchuandao
，yekeyitongguofushechuanbo，xianluchuandaochengweiRFI，輻射傳播稱為EMI。

 

 

諧波失真描述的是一堆正弦信號，或者說交流信號，交流信號講究的是有效值

，因此必須使用方和根來計算，其公式如下：

 

第一步，求出每一個高次諧波和基波的比值；

 

第二步
，比值求和，理論上H可以取到無窮大，但實際應用中，H不會取很大，一般幾十就足夠精確了；

 

第三步，開方。

 

 

 

總zong諧xie波bo失shi真zhen代dai表biao了le供gong電dian能neng力li的de浪lang費fei
，而er高gao次ci諧xie波bo的de幅fu度du則ze代dai表biao了le電dian磁ci幹gan擾rao的de強qiang度du，因yin此ci通tong常chang還hai會hui使shi用yong圖tu標biao來lai表biao示shi諧xie波bo失shi真zhen，這zhe樣yang可ke以yi比bi較jiao形xing象xiang的de看kan出chu諧xie波bo失shi真zhen的de電dian磁ci幹gan擾rao危wei害hai程cheng度du。

 

 

 

仔細觀察可以發現，電流諧波失真圖上，偶次諧波的分量幾乎為0。

 

這個不是偶然
，在電力領域，談到諧波失真，都不需要考慮偶次諧波
，隻考慮奇次諧波，因為偶次諧波分量可以忽略。

 

偶次諧波分量為0的原因在於電流波形總是呈現正負對稱的形式
，這種對稱波形稱為奇諧波形，其偶次分量為0，其分析如下：

 

 

 

真實應用中，設備往往同時包含電容/電感和有源器件，因此電流波形既表現出和電壓正弦的相位差，又表現出非正弦特性
，如下圖
，此時，功率因素的定義為：

 

 

 

現在可以看到
，對用電設備的友好性可以用PF來衡量，很多時候PF和THD是存在關係的，THD越大，PF越低，但THD小不意味著PF高，還要考慮電流相位的影響。

 

THD既要小，同時還要在高頻處的諧波分量盡量的小
，以減少幹擾。
 

 

 

PF低的原因有2個，電容或電感引起的電流相位偏移，有源器件引起的波形失真。

 

提高PF的電路稱為PFC電路
，PFC的思路也是分為2個：

 

增加補償電路
，比如負載為電容，就在供電線路上加入電感，這種方法稱為無源PFC
，常用於隻有相位偏移的場合

；

 

對於開關電源來說，主要的問題是波形失真，因此不能采用無源PFC，隻能采用其他方法，這些方法統稱為有源PFC。

 

--有源PFC也分2種

，一種是PPFC(被動式PFC)，另一種是APFC(主動式PFC)。

 

--有時候，將無源PFC也歸為被動式，這樣PFC分P和A兩類
，P又包括無源和有源兩種。

 

 

使用一種稱為逐流電路的結構可以提高開關電源的PF值。

 

注意逐流電路的連接
，當VDC比2個電容電壓加起來還高時
，逐流電路充電，當VDC比2個電容電壓並聯的電壓低時，逐流電路放電，當VDC介於兩者之間時，逐流電路既不放電也不充電。

 

兩個電容完全相同，因此電容的電壓總是會自動保持相等。

 

 

 

假如沒有逐流電路，當VAC<VDC時，二極管就會截止
，隻有VAC>VDC時
，二極管才導通，加上逐流電路後，當VAC小於兩個電容電壓之和時，二極管依然導通
，直到VAC小於電容電壓，這無形中延長了二極管導通的時間。

 

假設VAC為220V
，VDC穩定在200V
，那麼無逐流電路時

，隻有VAC>200V，二極管才導通，有逐流電路時，VAC>100V，二極管就導通。

 

 

 

從前麵的分析可以看到，逐流電路是通過二極管環向
，使得電容是串聯充電，並聯放電
，串聯時數量為2，因此充放電區間的電壓落差為2倍。

 

如果希望提高逐流電路的PFC效果，可以將電壓落差加大，增加到3，甚至4。

 

 

 

開關電源的波形失真的罪魁禍首是整流橋後麵的電容，使用逐流電路後可以緩解這個問題，但不能根除，而主動式PFC能夠根除這個問題。

 

主動式PFC的方法是直接將整流橋後麵的電容直接去掉，讓輸入電流持續。

 

光讓電流持續還不夠，還必須讓整流橋後麵的部分看起來像一個電阻，使得電流是隨著輸入電壓的變化而變化的。

 

因為開關電源在整流橋後麵是一個電感負載，電感的電流電壓關係為：

 

 

所以開關電源需要控製t，來使得ʃvdt和V成正比。

 

 

 

kaiguandianyuanshitongguokaiguanqiehuanlaijianxieshidejiangnengliangchuandiguoqu，yincibukenengshishunshidianliuchengxianchuyigelianxupinghuadezhengxianboxing

，zhinengshipingjundianliuboxingchengxianchuzhengxianboxing。

 

一共有3種形式的電流波形
，對應3種模式CCM，BCM(CRM)，DCM。

 

 

 

開關電源隻能製造鋸齒形的電流，而PFC要求較平滑的電流，否則電流THD會很大，因此，需要在輸入端加一個電流低通濾波電路。

 

電流濾波使用電感和電容
，電感對電流進行平滑，而電容儲存能量
，應付PFC過程中的電流突變。

 

 

 

這三種模式，其本質上的區分是流過電感的電流。

 

CCM，電感電流是連續的

；

 

BCM
，電感電流不連續，但不會持續為0；

 

DCM，電感電流有持續為0的時候。

 

從電源功率來說：CCM > BCM > DCM。

 

理論上來說，高功率的也可以用於低功率，但CCM的控製環路存在巨大缺陷，無法做到高切換頻率，因此在小功率段通常是不使用CCM的。

 

 

 

要讓BCM的平均電流為正弦，需要兩個條件：

 

流過電感的電流的峰值包絡為正弦；

 

輸入平均電流和電感峰值成比例。

 

對於第二個條件，除了boost外
，其他拓撲都做不到，如下圖所示：

 

Boost拓撲在整個周期內都有輸入電流，平均電流正好是包絡電流的1/2
，而對於其他拓撲

，隻有在TON時間內
，輸入電流才有，Toff時間內輸入電流為0，這樣就導致平均電流和峰值電流並不是一個固定的比例關係。

 

 

 

電路需要得到2個時間點，當前周期的TON結束和當前周期的TOFF結束的時刻。

 

當前周期的TON結束由電流峰值比較器來檢測，而TOFF的結束由過零比較器來檢測。

 

 

 

仔細觀察BCM，可以看到導通時間貌似是恒定的，這個不是故意畫得一樣，而是有原因的。

 

電感上的電流可以用如下公式來表示：

 

 

這(zhe)個(ge)公(gong)式(shi)可(ke)以(yi)看(kan)到(dao)，電(dian)感(gan)上(shang)的(de)電(dian)流(liu)直(zhi)線(xian)上(shang)升(sheng)，上(shang)升(sheng)斜(xie)率(lv)取(qu)決(jue)於(yu)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)，而(er)上(shang)升(sheng)的(de)終(zhong)點(dian)同(tong)樣(yang)取(qu)決(jue)於(yu)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)，這(zhe)樣(yang)就(jiu)導(dao)致(zhi)導(dao)通(tong)時(shi)間(jian)最(zui)終(zhong)和(he)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)無(wu)關(guan)了(le)。

 

 

 

又前麵的分析可知
，Boost實現PFC後
，導通時間變成恒定了
，那麼反過來，一上來就將導通時間設成恒定，是不是也能實現PFC，答案是肯定的。

 

改進後，就成了主動固定導通時間，因而省掉了峰值電流比較電路。

 

固定導通時間是目前非常主流的PFC技術，適合用數字控製，計數器產生固定寬度的正脈衝，每次過零比較器檢測到退磁點，便產生一個正脈衝。

 

 

 

很(hen)多(duo)電(dian)源(yuan)都(dou)有(you)穩(wen)壓(ya)的(de)需(xu)求(qiu)
，所(suo)謂(wei)穩(wen)壓(ya)實(shi)際(ji)上(shang)就(jiu)是(shi)調(tiao)整(zheng)電(dian)源(yuan)傳(chuan)遞(di)的(de)能(neng)量(liang)，對(dui)於(yu)固(gu)定(ding)導(dao)通(tong)時(shi)間(jian)來(lai)說(shuo)，調(tiao)整(zheng)峰(feng)值(zhi)電(dian)流(liu)的(de)包(bao)絡(luo)線(xian)就(jiu)可(ke)以(yi)調(tiao)整(zheng)平(ping)均(jun)電(dian)流(liu)，也(ye)就(jiu)調(tiao)整(zheng)了(le)輸(shu)入(ru)功(gong)率(lv)
，進(jin)而(er)調(tiao)整(zheng)了(le)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)。

 

因為輸入電壓為AC，總(zong)是(shi)不(bu)變(bian)的(de)
，因(yin)此(ci)電(dian)感(gan)上(shang)電(dian)流(liu)斜(xie)率(lv)是(shi)不(bu)變(bian)的(de)，縮(suo)放(fang)包(bao)絡(luo)線(xian)後(hou)
，相(xiang)當(dang)於(yu)改(gai)變(bian)了(le)峰(feng)值(zhi)電(dian)流(liu)比(bi)較(jiao)器(qi)的(de)閾(yu)值(zhi)，電(dian)感(gan)上(shang)的(de)電(dian)流(liu)三(san)角(jiao)波(bo)會(hui)變(bian)化(hua)，包(bao)絡(luo)線(xian)越(yue)矮(ai)
，平(ping)均(jun)電(dian)流(liu)越(yue)小(xiao)，輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)越(yue)低(di)，TON時間越短
，開關的切換頻率越高。

 

 

 

由前麵的分析可知
，要調整輸出電壓，隻需要調整TON即可

，因此將輸出電壓反饋回來
，調整TON即可。

 

 

 

BCM的特點是輸出功率越低，切換頻率越高，如果電源本身需要在較大的輸出功率內切換，比如調光，需要在1%-100%之內切換，開關管的切換頻率也需要接近100倍的變化範圍。

 

這麼大的變化範圍是無法實現的，無論是MOS還是電感，都不可能在這麼大的切換頻率內始終保持最優工作狀態。

 

解決方法是在每個周期插入死區等待時間

，使BCM變成DCM模式。
 

 

如果需要降低輸入電流，可以不調整TON

，但是在每個切換周期後麵增加等待時間，輸入電流降低越多

，等待時間越長，在TON不變的情況下，輸入電流越低
，頻率越低。

 

ruguotiaozhengfanweibudadehua，jiarusiqudengdaijiuzugoule，ruguotiaozhengfanweidadehua

，keyijiehesiqudengdaihebaoluoxiantiaozheng，huozheyiyigeweizhu
，lingyigeweifu，biruyibaoluoxianweizhu，siqudengdaiweifu，huozheshiyonglianggejishushixiangengjingxidetiaozheng。

 

--數字控製的方式，TON的最小調整粒度為1個TCLK 
，而引入死區等待（補償）後
，最下調整粒度可以高於一個TCLK。

 

 

 

同時使用調節TON和TDEAD後
，控製算法會變得複雜
，一種算法思路如下：

 

以TON為主來調節輸出功率
，通過TON調節包絡線的高度，TDEAD存在完全是為了調節頻率
，這樣就得到了2種方法：

 

--先調TON ， TON調不動了後再調TDEAD
，或者先調TDEAD，再調TON；

 

--先調TON ， TON調不動了後再調TDEAD ，或者先調TDEAD
，再調TON；

 

 

 

從cong開kai發fa難nan度du來lai說shuo，一yi次ci調tiao一yi個ge參can數shu肯ken定ding比bi一yi次ci調tiao多duo個ge參can數shu要yao簡jian單dan，但dan一yi次ci調tiao多duo個ge參can數shu可ke以yi實shi現xian更geng豐feng富fu的de算suan法fa
，比bi如ru對dui參can數shu進jin加jia權quan，就jiu可ke以yi實shi現xian不bu同tong的de曲qu線xian效xiao果guo，甚shen至zhi可ke以yi做zuo到dao自zi始shi至zhi終zhong切qie換huan頻pin率lv不bu變bian。

 

注意到兩個參數的曲線總是不同趨勢的， TON增加

，切換頻率降低，而TDEAD 減少，切換頻率升高，因此理論上可以做到切換頻率不變。

 

 

 

在BCM情況下
，平均電流天然就是正弦，而引入死區等待後

，變成DCM，平均電流不再能天然正弦，這個時候需要使用數字算法來均衡每個周期的TDEAD，使平均電流依然既能保持正弦形狀。

 

所謂均衡，就是指插入到各個周期內的TDEAD保持一定的關係。

 

均衡算法的開發思路如下：

 

 

 

前麵分析過

，Boost相比其他拓撲的優勢在於 TON和 TON都有輸入電流，但引入死區時間後，TDEAD還是沒有電流，此時Boost相比其他拓撲的優勢實際上沒有了，因此可以使用任何拓撲來實現PFC。

 

假設依然使用固定導通時間
，其他拓撲的TDEAD均衡算法開發思路如下：

 

 

 

前麵都是通過調節輸出電壓來調整輸出功率，但很多應用中是通過調節輸出電流來調整輸出功率的，這就給PFC帶來了很大的一個難題。

 

wenyahewenliuzuidadebutong，zaiyuwenyazhixuyaobaozhenghenchangyiduanshijianneipingjunshuchudianyahengdingjike，ermuqiandewenliujishuzexuyaoshidemeigeqiehuanzhouqidedianliudoubaochihengding。

 

--weishenmedianyakeyikanyiduanshijianpingjundianya，yinweifuzaiduandoudaiyoudadianrong，zhegedianrongshangdedianyajiushiyiduanshijianneidepingjundianya，jiangzhegedianyacaiyangfankuidaoshuru，jiukeyitiaojiepingjundianya。

 

--而(er)電(dian)流(liu)則(ze)不(bu)行(xing)，目(mu)前(qian)沒(mei)有(you)方(fang)法(fa)能(neng)讓(rang)每(mei)個(ge)周(zhou)期(qi)電(dian)流(liu)都(dou)變(bian)化(hua)，而(er)平(ping)均(jun)電(dian)流(liu)在(zai)一(yi)段(duan)時(shi)間(jian)內(nei)保(bao)持(chi)恒(heng)定(ding)，因(yin)為(wei)沒(mei)有(you)辦(ban)法(fa)來(lai)采(cai)樣(yang)一(yi)段(duan)時(shi)間(jian)內(nei)的(de)平(ping)均(jun)電(dian)流(liu)。

 

PFC要求電流為正弦狀
，也就是每個周期都不一樣
，而恒流要求電流每個周期都一樣，這樣就形成了一對不可調和的矛盾。

 

 

目前沒有看到有很好的方法能夠簡單的同時提高PF和恒流精度，已知的幾種方法如下：

 

采樣2級方案，第一級為Boost，實現高PF
，第二級實現恒流，這樣就避開了兩者的衝突，但缺點是成本高；

 

采用切分周期的方法，將一個AC周期分成多個時間段，一些時間做PFC，另一些時間做恒流，如下圖所示
，這樣可以單級實現，但效果相比2級就要差一些了。

 

對於大功率，成本不敏感的場合來說，使用2級方案是很合適的
，但對於成本敏感的場合
，就需要下很大的功夫來進行優化了。

 

 

本文轉載自電源研發精英圈公眾號。