【導(dǎo)讀】對(duì)用電設(shè)備的友好性可以用PF來(lái)衡量,很多時(shí)候PF和THD是存在關(guān)系的,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(shí)還要在高頻處的諧波分量盡量的小,以減少干擾。
概述
- 理解交流供電的特殊性
- 理解PF和THD
- PPFC原理及實(shí)現(xiàn)思路
- APFC原理及實(shí)現(xiàn)思路
理解交流供電的特殊性
理解供電廠與用電設(shè)備模型
- 供電廠提供的為交流電,也就是說(shuō),供電廠提供的能量是呈現(xiàn)出正弦形式的波動(dòng)的,而不是一直持續(xù)不變的功率。
- 電廠到用電設(shè)備之間的傳輸線是有電阻的,這些電阻會(huì)消耗能量。
- 用電設(shè)備有電阻性的,也有電容和電感性的。
各種負(fù)載類型的設(shè)備的等效電路
各種負(fù)載的情況
下圖示出了4種類型負(fù)載的消耗能量的情況
詳細(xì)分析各種負(fù)載的情況(電阻V.S. 感容)
由前面的圖可以看到,消耗的功率=U*I,電阻消耗的總是正功,而電容和電感卻不是,一會(huì)正功,一會(huì)負(fù)功,也就是說(shuō),電感和電容一會(huì)從供電廠吸取能量,一會(huì)向供電廠提供能量。
這個(gè)現(xiàn)象的原因是,電感和電容屬于儲(chǔ)能設(shè)備,本身不消耗能量。
在這個(gè)儲(chǔ)能放能的過(guò)程中,能量都被消耗在了供電線上了,用電設(shè)備由于沒(méi)有消耗能量,供電廠不能收取電費(fèi),但供電廠依然需要架設(shè)對(duì)應(yīng)的供電設(shè)備,并且不停的提供能量。
詳細(xì)分析各種負(fù)載的情況(二極管的情況)
二極管形成的整流電路,加上電容,用來(lái)產(chǎn)生直流輸出,這是一種很常見(jiàn)的結(jié)構(gòu),只有在AC電壓比電容電壓高時(shí),二極管才能導(dǎo)通,此時(shí)才有電流,為了提供整個(gè)周期的功率,在此范圍內(nèi)必須有很大的電流,也就是說(shuō),AC源必須在短短的時(shí)間內(nèi)提供夠用很長(zhǎng)一端時(shí)間的能量給設(shè)備。
由于供電廠只能產(chǎn)生正弦形式的功率輸出,為了達(dá)到這個(gè)目的,供電廠必須建設(shè)遠(yuǎn)超出正常消耗的供電設(shè)備,以維持用電設(shè)備的用電。
理解PF和THD
功率因數(shù)(PF)
為了描述這種電容電感導(dǎo)致的,電流和電壓不同步的情況,引入功率因數(shù)的定義。
用電流和電壓的相位角之差的余弦值作為功率因數(shù)。
PF大還是小比較好?
總諧波失真(THD)
非正弦的周期波形能夠拆分成傅里葉級(jí)數(shù),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(lái)表示各次諧波的大小,在供電領(lǐng)域,諧波的大小特指電流的大小。
THD大還是小比較好。
諧波失真的危害
供電廠產(chǎn)生的電流波形是基波的正弦,而其他高次諧波的波形是供電廠無(wú)法產(chǎn)生的,因此供電廠必須使出額外的力氣來(lái)產(chǎn)生所有的高次諧波,因此THD實(shí)際上描述了供電廠必須具備的額外供電能力,或者說(shuō)做的無(wú)效功。
諧波失真的其他危害還表現(xiàn)在產(chǎn)生了一些高頻的信號(hào),這些信號(hào)會(huì)干擾其他設(shè)備,這個(gè)干擾可以通過(guò)線路傳導(dǎo),也可以通過(guò)輻射傳播,線路傳導(dǎo)稱為RFI,輻射傳播稱為EMI。
總諧波失真的具體計(jì)算
諧波失真描述的是一堆正弦信號(hào),或者說(shuō)交流信號(hào),交流信號(hào)講究的是有效值,因此必須使用方和根來(lái)計(jì)算,其公式如下:
第一步,求出每一個(gè)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(wú)窮大,但實(shí)際應(yīng)用中,H不會(huì)取很大,一般幾十就足夠精確了;
第三步,開(kāi)方。
諧波失真的圖形表示
總諧波失真代表了供電能力的浪費(fèi),而高次諧波的幅度則代表了電磁干擾的強(qiáng)度,因此通常還會(huì)使用圖標(biāo)來(lái)表示諧波失真,這樣可以比較形象的看出諧波失真的電磁干擾危害程度。
偶次諧波和奇次諧波
仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn),電流諧波失真圖上,偶次諧波的分量幾乎為0。
這個(gè)不是偶然,在電力領(lǐng)域,談到諧波失真,都不需要考慮偶次諧波,只考慮奇次諧波,因?yàn)榕即沃C波分量可以忽略。
偶次諧波分量為0的原因在于電流波形總是呈現(xiàn)正負(fù)對(duì)稱的形式,這種對(duì)稱波形稱為奇諧波形,其偶次分量為0,其分析如下:
考慮THD后的PF
真實(shí)應(yīng)用中,設(shè)備往往同時(shí)包含電容/電感和有源器件,因此電流波形既表現(xiàn)出和電壓正弦的相位差,又表現(xiàn)出非正弦特性,如下圖,此時(shí),功率因素的定義為:
小結(jié)
現(xiàn)在可以看到,對(duì)用電設(shè)備的友好性可以用PF來(lái)衡量,很多時(shí)候PF和THD是存在關(guān)系的,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(shí)還要在高頻處的諧波分量盡量的小,以減少干擾。
PPFC原理及實(shí)現(xiàn)思路
功率因數(shù)校正(PFC)的基本思路
PF低的原因有2個(gè),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(gè):
增加補(bǔ)償電路,比如負(fù)載為電容,就在供電線路上加入電感,這種方法稱為無(wú)源PFC,常用于只有相位偏移的場(chǎng)合;
對(duì)于開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō),主要的問(wèn)題是波形失真,因此不能采用無(wú)源PFC,只能采用其他方法,這些方法統(tǒng)稱為有源PFC。
--有源PFC也分2種,一種是PPFC(被動(dòng)式PFC),另一種是APFC(主動(dòng)式PFC)。
--有時(shí)候,將無(wú)源PFC也歸為被動(dòng)式,這樣PFC分P和A兩類,P又包括無(wú)源和有源兩種。
PPFC電路
使用一種稱為逐流電路的結(jié)構(gòu)可以提高開(kāi)關(guān)電源的PF值。
注意逐流電路的連接,當(dāng)VDC比2個(gè)電容電壓加起來(lái)還高時(shí),逐流電路充電,當(dāng)VDC比2個(gè)電容電壓并聯(lián)的電壓低時(shí),逐流電路放電,當(dāng)VDC介于兩者之間時(shí),逐流電路既不放電也不充電。
兩個(gè)電容完全相同,因此電容的電壓總是會(huì)自動(dòng)保持相等。
逐流電路提高PF值的方法
假如沒(méi)有逐流電路,當(dāng)VAC<VDC時(shí),二極管就會(huì)截止,只有VAC>VDC時(shí),二極管才導(dǎo)通,加上逐流電路后,當(dāng)VAC小于兩個(gè)電容電壓之和時(shí),二極管依然導(dǎo)通,直到VAC小于電容電壓,這無(wú)形中延長(zhǎng)了二極管導(dǎo)通的時(shí)間。
假設(shè)VAC為220V,VDC穩(wěn)定在200V,那么無(wú)逐流電路時(shí),只有VAC>200V,二極管才導(dǎo)通,有逐流電路時(shí),VAC>100V,二極管就導(dǎo)通。
逐流電路的疊加
從前面的分析可以看到,逐流電路是通過(guò)二極管環(huán)向,使得電容是串聯(lián)充電,并聯(lián)放電,串聯(lián)時(shí)數(shù)量為2,因此充放電區(qū)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。
APFC原理及實(shí)現(xiàn)思路
APFC的原理
開(kāi)關(guān)電源的波形失真的罪魁禍?zhǔn)资钦鳂蚝竺娴碾娙?,使用逐流電路后可以緩解這個(gè)問(wèn)題,但不能根除,而主動(dòng)式PFC能夠根除這個(gè)問(wèn)題。
主動(dòng)式PFC的方法是直接將整流橋后面的電容直接去掉,讓輸入電流持續(xù)。
光讓電流持續(xù)還不夠,還必須讓整流橋后面的部分看起來(lái)像一個(gè)電阻,使得電流是隨著輸入電壓的變化而變化的。
因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源在整流橋后面是一個(gè)電感負(fù)載,電感的電流電壓關(guān)系為:
所以開(kāi)關(guān)電源需要控制t,來(lái)使得?vdt和V成正比。
APFC的形式
開(kāi)關(guān)電源是通過(guò)開(kāi)關(guān)切換來(lái)間歇式的將能量傳遞過(guò)去,因此不可能使瞬時(shí)電流呈現(xiàn)出一個(gè)連續(xù)平滑的正弦波形,只能使平均電流波形呈現(xiàn)出正弦波形。
一共有3種形式的電流波形,對(duì)應(yīng)3種模式CCM,BCM(CRM),DCM。
電流平滑
開(kāi)關(guān)電源只能制造鋸齒形的電流,而PFC要求較平滑的電流,否則電流THD會(huì)很大,因此,需要在輸入端加一個(gè)電流低通濾波電路。
電流濾波使用電感和電容,電感對(duì)電流進(jìn)行平滑,而電容儲(chǔ)存能量,應(yīng)付PFC過(guò)程中的電流突變。
3種模式的對(duì)比
這三種模式,其本質(zhì)上的區(qū)分是流過(guò)電感的電流。
CCM,電感電流是連續(xù)的;
BCM,電感電流不連續(xù),但不會(huì)持續(xù)為0;
DCM,電感電流有持續(xù)為0的時(shí)候。
從電源功率來(lái)說(shuō):CCM > BCM > DCM。
理論上來(lái)說(shuō),高功率的也可以用于低功率,但CCM的控制環(huán)路存在巨大缺陷,無(wú)法做到高切換頻率,因此在小功率段通常是不使用CCM的。
BCM的實(shí)現(xiàn)方法
要讓BCM的平均電流為正弦,需要兩個(gè)條件:
流過(guò)電感的電流的峰值包絡(luò)為正弦;
輸入平均電流和電感峰值成比例。
對(duì)于第二個(gè)條件,除了boost外,其他拓?fù)涠甲霾坏?,如下圖所示:
Boost拓?fù)湓谡麄€(gè)周期內(nèi)都有輸入電流,平均電流正好是包絡(luò)電流的1/2,而對(duì)于其他拓?fù)洌挥性赥ON時(shí)間內(nèi),輸入電流才有,Toff時(shí)間內(nèi)輸入電流為0,這樣就導(dǎo)致平均電流和峰值電流并不是一個(gè)固定的比例關(guān)系。
Boost實(shí)現(xiàn)BCM的方法
電路需要得到2個(gè)時(shí)間點(diǎn),當(dāng)前周期的TON結(jié)束和當(dāng)前周期的TOFF結(jié)束的時(shí)刻。
當(dāng)前周期的TON結(jié)束由電流峰值比較器來(lái)檢測(cè),而TOFF的結(jié)束由過(guò)零比較器來(lái)檢測(cè)。
導(dǎo)通時(shí)間的問(wèn)題
仔細(xì)觀察BCM,可以看到導(dǎo)通時(shí)間貌似是恒定的,這個(gè)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(lái)表示:
這個(gè)公式可以看到,電感上的電流直線上升,上升斜率取決于輸入電壓,而上升的終點(diǎn)同樣取決于輸入電壓,這樣就導(dǎo)致導(dǎo)通時(shí)間最終和輸入電壓無(wú)關(guān)了。
PFC方法的改進(jìn)-固定導(dǎo)通時(shí)間
又前面的分析可知,Boost實(shí)現(xiàn)PFC后,導(dǎo)通時(shí)間變成恒定了,那么反過(guò)來(lái),一上來(lái)就將導(dǎo)通時(shí)間設(shè)成恒定,是不是也能實(shí)現(xiàn)PFC,答案是肯定的。
改進(jìn)后,就成了主動(dòng)固定導(dǎo)通時(shí)間,因而省掉了峰值電流比較電路。
固定導(dǎo)通時(shí)間是目前非常主流的PFC技術(shù),適合用數(shù)字控制,計(jì)數(shù)器產(chǎn)生固定寬度的正脈沖,每次過(guò)零比較器檢測(cè)到退磁點(diǎn),便產(chǎn)生一個(gè)正脈沖。
PFC電源調(diào)整輸出電壓的方法
很多電源都有穩(wěn)壓的需求,所謂穩(wěn)壓實(shí)際上就是調(diào)整電源傳遞的能量,對(duì)于固定導(dǎo)通時(shí)間來(lái)說(shuō),調(diào)整峰值電流的包絡(luò)線就可以調(diào)整平均電流,也就調(diào)整了輸入功率,進(jìn)而調(diào)整了輸出電壓。
因?yàn)檩斎腚妷簽锳C,總是不變的,因此電感上電流斜率是不變的,縮放包絡(luò)線后,相當(dāng)于改變了峰值電流比較器的閾值,電感上的電流三角波會(huì)變化,包絡(luò)線越矮,平均電流越小,輸出功率越低,TON時(shí)間越短,開(kāi)關(guān)的切換頻率越高。
輸出穩(wěn)壓的方法
由前面的分析可知,要調(diào)整輸出電壓,只需要調(diào)整TON即可,因此將輸出電壓反饋回來(lái),調(diào)整TON即可。
BCM的問(wèn)題和解決
BCM的特點(diǎn)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(nèi)切換,比如調(diào)光,需要在1%-100%之內(nèi)切換,開(kāi)關(guān)管的切換頻率也需要接近100倍的變化范圍。
這么大的變化范圍是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的,無(wú)論是MOS還是電感,都不可能在這么大的切換頻率內(nèi)始終保持最優(yōu)工作狀態(tài)。
解決方法是在每個(gè)周期插入死區(qū)等待時(shí)間,使BCM變成DCM模式。
加入死區(qū)等待的DCM
如果需要降低輸入電流,可以不調(diào)整TON ,但是在每個(gè)切換周期后面增加等待時(shí)間,輸入電流降低越多,等待時(shí)間越長(zhǎng),在TON不變的情況下,輸入電流越低,頻率越低。
如果調(diào)整范圍不大的話,加入死區(qū)等待就足夠了,如果調(diào)整范圍大的話,可以結(jié)合死區(qū)等待和包絡(luò)線調(diào)整,或者以一個(gè)為主,另一個(gè)為輔,比如以包絡(luò)線為主,死區(qū)等待為輔,或者使用兩個(gè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的調(diào)整。
--數(shù)字控制的方式,TON的最小調(diào)整粒度為1個(gè)TCLK ,而引入死區(qū)等待(補(bǔ)償)后,最下調(diào)整粒度可以高于一個(gè)TCLK。
結(jié)合死區(qū)等待后的穩(wěn)壓算法
同時(shí)使用調(diào)節(jié)TON和TDEAD后,控制算法會(huì)變得復(fù)雜,一種算法思路如下:
以TON為主來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率,通過(guò)TON調(diào)節(jié)包絡(luò)線的高度,TDEAD存在完全是為了調(diào)節(jié)頻率,這樣就得到了2種方法:
--先調(diào)TON , TON調(diào)不動(dòng)了后再調(diào)TDEAD ,或者先調(diào)TDEAD,再調(diào)TON;
--先調(diào)TON , TON調(diào)不動(dòng)了后再調(diào)TDEAD ,或者先調(diào)TDEAD,再調(diào)TON;
對(duì)比幾種算法
從開(kāi)發(fā)難度來(lái)說(shuō),一次調(diào)一個(gè)參數(shù)肯定比一次調(diào)多個(gè)參數(shù)要簡(jiǎn)單,但一次調(diào)多個(gè)參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)更豐富的算法,比如對(duì)參數(shù)進(jìn)加權(quán),就可以實(shí)現(xiàn)不同的曲線效果,甚至可以做到自始至終切換頻率不變。
注意到兩個(gè)參數(shù)的曲線總是不同趨勢(shì)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。
死區(qū)時(shí)間的多周期均衡關(guān)系
在BCM情況下,平均電流天然就是正弦,而引入死區(qū)等待后,變成DCM,平均電流不再能天然正弦,這個(gè)時(shí)候需要使用數(shù)字算法來(lái)均衡每個(gè)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(gè)周期內(nèi)的TDEAD保持一定的關(guān)系。
均衡算法的開(kāi)發(fā)思路如下:
擴(kuò)展到其他拓?fù)?/strong>
前面分析過(guò),Boost相比其他拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)在于 TON和 TON都有輸入電流,但引入死區(qū)時(shí)間后,TDEAD還是沒(méi)有電流,此時(shí)Boost相比其他拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)實(shí)際上沒(méi)有了,因此可以使用任何拓?fù)鋪?lái)實(shí)現(xiàn)PFC。
假設(shè)依然使用固定導(dǎo)通時(shí)間,其他拓?fù)涞腡DEAD均衡算法開(kāi)發(fā)思路如下:
PFC和恒流的沖突
前面都是通過(guò)調(diào)節(jié)輸出電壓來(lái)調(diào)整輸出功率,但很多應(yīng)用中是通過(guò)調(diào)節(jié)輸出電流來(lái)調(diào)整輸出功率的,這就給PFC帶來(lái)了很大的一個(gè)難題。
穩(wěn)壓和穩(wěn)流最大的不同,在于穩(wěn)壓只需要保證很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)平均輸出電壓恒定即可,而目前的穩(wěn)流技術(shù)則需要使得每個(gè)切換周期的電流都保持恒定。
--為什么電壓可以看一段時(shí)間平均電壓,因?yàn)樨?fù)載端都帶有大電容,這個(gè)電容上的電壓就是一段時(shí)間內(nèi)的平均電壓,將這個(gè)電壓采樣反饋到輸入,就可以調(diào)節(jié)平均電壓。
--而電流則不行,目前沒(méi)有方法能讓每個(gè)周期電流都變化,而平均電流在一段時(shí)間內(nèi)保持恒定,因?yàn)闆](méi)有辦法來(lái)采樣一段時(shí)間內(nèi)的平均電流。
PFC要求電流為正弦狀,也就是每個(gè)周期都不一樣,而恒流要求電流每個(gè)周期都一樣,這樣就形成了一對(duì)不可調(diào)和的矛盾。
解決PFC和恒流的沖突
目前沒(méi)有看到有很好的方法能夠簡(jiǎn)單的同時(shí)提高PF和恒流精度,已知的幾種方法如下:
采樣2級(jí)方案,第一級(jí)為Boost,實(shí)現(xiàn)高PF,第二級(jí)實(shí)現(xiàn)恒流,這樣就避開(kāi)了兩者的沖突,但缺點(diǎn)是成本高;
采用切分周期的方法,將一個(gè)AC周期分成多個(gè)時(shí)間段,一些時(shí)間做PFC,另一些時(shí)間做恒流,如下圖所示,這樣可以單級(jí)實(shí)現(xiàn),但效果相比2級(jí)就要差一些了。
對(duì)于大功率,成本不敏感的場(chǎng)合來(lái)說(shuō),使用2級(jí)方案是很合適的,但對(duì)于成本敏感的場(chǎng)合,就需要下很大的功夫來(lái)進(jìn)行優(yōu)化了。
本文轉(zhuǎn)載自電源研發(fā)精英圈公眾號(hào)。
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