PF、PFC、PPFC、APFC原来是这么回事
【PF、PFC、PPFC、APFC原来是这么回事】
概述
●理解交流供电的特殊性●理解PF和THD●PPFC原理及实现思路●APFC原理及实现思路
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 。各种负载类型的设备的等效电路
各种负载的情况
●下图示出了4种类型负载的消耗能量的情况
详细分析各种负载的情况（电阻V.S. 感容）
●由前面的图可以看到 ， 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 。
理解PF和THD
●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 。PF大还是小比较好？
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 ， 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
●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
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 。
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