单级PFC消除频闪的一种新方法-综合电源技术-世纪电源网社区

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2015-3-9 10:03:51

在论坛中看到有方案是在输出侧接入线性元件来消除工频波动，简单小巧效果也不错就是效率低点只限于小功率的应用。那么是否可以按照这个思路用小开关电源来替代线性元件，既能达到线性元件的效果又能兼顾效率？
按这个想法搭了个电路仿真如下：
首先电路图1是我们常用的Boost PFC电路

图1 Boost PFC电路
图2是加了替代线性元件的小开关电源模块，为了方便姑且称这种模块为消顶填谷滤波器（也可称并联稳压芯片）。

图2 加入消顶填谷滤波器的Boost PFC电路
与我们通常的有源滤波器件有点区别这里的滤波模块是并在输出两端的，同一电路加滤波模块和不加的仿真结果如图3.

未加滤波加滤波模块

图3 电路未加填谷消顶滤波模块和加入模块后的波形对比
这种滤波模块基本不会影响到输入侧的PFC效果，只处理纹波功率理论上模块上的功率不大（目前仿真结果尚未证实），按理论这种模块可以做的很小颗成本也不会太高。另外还有一个优点，Boost型的电路输出电流是断续的开关纹波大，加了这个滤波模块后似乎也能改善高频纹波。
下面将介绍一下这种滤波模块的内部结构和工作原理。

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		2 boy59 boy59 离线 LV10 总工程师积分：16430 \| 主题：118 \| 帖子：2779 访问空间发消息积分:16430 LV10 总工程师 2015-3-9 10:04:06
		消顶填谷滤波器其名字就反映了其工作原理，模块中有一参考电压（基准电压）高于这个电压的消顶低于这个电压的填谷。具体实施方法见图4 图4 模块内部电路模块内电路其实很简单包括两个MOS管一个电感一个电容外加一个控制单元。下面的Q-boost管与上管的体二极管构成了Boost电路，消顶用的。上面的Q-buck管与下管的体二极管构成buck电路填谷用的。当采样到的信号高于基准时pwm1输出信号Boost电路工作多出的能量存储到储能电容中，当采样信号低于基准时pwm2输出信号Buck电路工作电容中的能量回馈电路补偿电压损失。这个模块在使用中的效果与线性稳压芯片相近，如仿真中基准电压取的是385V输出的波形也是385V，但电路上没有阻性元件不能像线性稳压芯片一样单独开环使用，储能电容储能是有限的所以要调节主功率电路的PWM使主功率电路的输出功率与负载上消耗的功率相平衡，这就要实现闭环控制。反馈信号，信号取自储能电容的电压，模块有自动稳压的功能只要控制储能电容的电压在设定范围内电路就能正常工作，反馈信号按正常反馈环路一样处理即可。如若希望得到更好的PFC参数可在反馈环节采用分段式处理。回复 \| 举报 \|

			7 真武阁真武阁离线 LV8 副总工程师积分：5805 \| 主题：25 \| 帖子：1549 访问空间发消息积分:5805 LV8 副总工程师 2015-3-10 07:22:32
			BOOST&BUCK？你这个模块比PFC还复杂了，我只见过凌特有一颗类似的，同时工作于BOOST和BUCK，共用一颗电感.... 但是单级PFC本来就是为了满足低成本，添多一个元件也不愿意。况且如果只是简单消除纹波的话只需多加一级BOOST或者BUCK就可以了，没必要又填谷又削顶啊回复 \| 举报 \|

				8 eric.wentx eric.wentx 离线 LV7 版主积分：46976 \| 主题：485 \| 帖子：17006 访问空间发消息积分:46976 版主 2015-3-10 09:28:37
				适合写paper，不适合生产. 回复 \| 举报 \|

				9 boy59 boy59 离线 LV10 总工程师积分：16430 \| 主题：118 \| 帖子：2779 访问空间发消息积分:16430 LV10 总工程师 2015-3-10 10:09:45
				复杂应该是相对的好比控制IC中集成了成百上千的元件但都不是功率元件很复杂却对总体效率影响不大，这个模块处理的是纹波功率相对来说也不大。单级低成本也意为着性能要打折扣，举一个例子：有三个L、C谐振电路，第一个 L=10000 C=1 第二个 L=1 C=10000 第三个 L=100 C=100 这三个电路能达到同样的谐振频率但第一种要一个大电感第二种要一个大电容第三种比较合适电感电容都不大。同样用“单级”来达到这个谐振频率第一个的电容趋近零电感要趋近无穷大第二个电感趋近零电容要趋近无穷大，单电感单电容效率高但要达到电容电感串联的效果其成本是无法接受的。电源设计的艺术大概就在于找到性能和成本的最佳结合点吧？相比只加一级Boost或Buck这个模块有成本优势，以Buck为例电感中的磁通量为B+△B，△B是用来消除纹波的原本一个小颗的电感就足够了但是由于叠加了直流分量B这个电感不得不设计成一个大块头，用并联式滤波没有直流分量电感按△B来设计就可以了。当然这个模块也是有缺点。回复 \| 举报 \|

					10 真武阁真武阁离线 LV8 副总工程师积分：5805 \| 主题：25 \| 帖子：1549 访问空间发消息积分:5805 LV8 副总工程师 2015-3-10 10:21:05
					如果成本不高的话，这颗料早就普及，DCDC升降压就不用搞低效的buck-BOOST了，这种架构用于PFC的话，母线电压也不用搞到380V那么高了回复 \| 举报 \|

						11 boy59 boy59 离线 LV10 总工程师积分：16430 \| 主题：118 \| 帖子：2779 访问空间发消息积分:16430 LV10 总工程师 2015-3-10 11:23:25
						这种结构也属于Buck-Boost的吧但比纯正的Buck-Boost多了一个MOS管和一个二极管确定这样的拓扑效率更高？这种结构能得到正向电压这方面优于Buck-Boost电路。 Buck-Boost优点是可升压可降压应用灵活但输入输出电流都是断续的纹波大，Boost-Buck输入输出电流都是连续的纹波小缺点是母线电压高，我所见过的电路多数是Boost-Buc的k应用可能是我见识的比较少。回复 \| 举报 \|

							12 forestgump1003 forestgump1003 离线 LV8 副总工程师积分：3126 \| 主题：22 \| 帖子：722 访问空间发消息积分:3126 LV8 副总工程师 2015-4-9 16:10:04
							四开关buck boost效率是不错的，尤其适合什么36-75变48这种 linear公司有专利的回复 \| 举报 \|

						26 lcrsemi lcrsemi 离线 LV3 助理工程师积分：247 \| 主题：0 \| 帖子：54 访问空间发消息积分:247 LV3 助理工程师 2015-6-16 22:00:17 倒数5
						这颗料在这用不了，因为不能双向。回复 \| 举报 \|

		3 eric.wentx eric.wentx 离线 LV7 版主积分：46976 \| 主题：485 \| 帖子：17006 访问空间发消息积分:46976 版主 2015-3-9 10:22:58
		那这个后级IC需要高压制程？回复 \| 举报 \|

			4 boy59 boy59 离线 LV10 总工程师积分：16430 \| 主题：118 \| 帖子：2779 访问空间发消息积分:16430 LV10 总工程师 2015-3-9 13:38:09
			大概是吧，最少得耐得住400V以上的电压。回复 \| 举报 \|

		5 st.you st.you 离线 LV10 总工程师积分：16772 \| 主题：8 \| 帖子：3793 访问空间发消息积分:16772 LV10 总工程师 2015-3-9 17:55:03
		多一个开关，多一路PWM，那就是两级了，效率还有优势吗？回复 \| 举报 \|

			6 boy59 boy59 离线 LV10 总工程师积分：16430 \| 主题：118 \| 帖子：2779 访问空间发消息积分:16430 LV10 总工程师 2015-3-9 22:25:36
			这个问题我是这样理解的，相对来说单级PFC的效率最高但其无法消除工频纹波，加大输出电容只是下下之策不但成本高还会有启动电流大等一些问题。要实现高功率因数且无频闪的只能选二级或二级以上拓扑既前级PFC+后级滤波。这个新方法里的不同之处就是后级滤波，我们通常用的都是串联滤波既滤波电路（有源或者无源）与负载串联，见图1 图1 串联滤波这种方式电路中的所有电流都要流经滤波器，即使输入侧输入的是直流电滤波器也会有通态损耗。并联滤波的电流如图2 图2 并联滤波这种滤波方式无法直接处理连续式的能量（如工频变压器直接输出的能量）要在前面加一个电感或是用在开关电源的后面。如图2叠加有纹波的电流经电感后分为两路，一路直流直接流经负载一路纹波终止于滤波器中，假如输入侧输入的是直流电（或很小纹波）滤波器几乎不工作无通态损耗所以效率上应该会更高一些。回复 \| 举报 \|

				13 cmg cmg 离线 LV7 版主积分：13579 \| 主题：114 \| 帖子：4738 访问空间发消息积分:13579 版主 2015-4-9 17:30:16
				没看过我的单级无频闪方案吗？回复 \| 举报 \|

					14 boy59 boy59 离线 LV10 总工程师积分：16430 \| 主题：118 \| 帖子：2779 访问空间发消息积分:16430 LV10 总工程师 2015-4-10 09:22:51
					大师的方案是个秘密回复 \| 举报 \|

						15 cmg cmg 离线 LV7 版主积分：13579 \| 主题：114 \| 帖子：4738 访问空间发消息积分:13579 版主 2015-4-10 10:24:31
						那就告诉你，改造填谷电路，使其高压时PF也可大于0.95，不增加任何成本，实现高PF，低工频纹波。回复 \| 举报 \|

							16 samming samming 离线 LV2 本网技师积分：133 \| 主题：1 \| 帖子：15 访问空间发消息积分:133 LV2 本网技师 2015-4-10 22:47:46
							大师，用MOS管按下端接法去纹波为何短路还是坏MOS烧SENSE电阻，请问有啥好方法呀！回复 \| 举报 \|

							17 boy59 boy59 离线 LV10 总工程师积分：16430 \| 主题：118 \| 帖子：2779 访问空间发消息积分:16430 LV10 总工程师 2015-4-13 11:29:35
							大师的方案应该也是填谷电路再加DC-DC吧？能用填谷电路兼容高低压且PF＞0.95大师功力确实深厚，只是个人认为这种方案不算单级最多算一级半。回复 \| 举报 \|

								20 cmg cmg 离线 LV7 版主积分：13579 \| 主题：114 \| 帖子：4738 访问空间发消息积分:13579 版主 2015-6-16 08:31:15
								没有DC/DC，绝对的一级回复 \| 举报 \|

									21 boy59 boy59 离线 LV10 总工程师积分：16430 \| 主题：118 \| 帖子：2779 访问空间发消息积分:16430 LV10 总工程师 2015-6-16 09:26:54 倒数10
									很好奇回复 \| 举报 \|

		18 boy59 boy59 离线 LV10 总工程师积分：16430 \| 主题：118 \| 帖子：2779 访问空间发消息积分:16430 LV10 总工程师 2015-6-15 10:04:51
		在以往的控制中采用的是电流控制法通过控制电流间接的来控制电压，这里换成电压控制法效果更理想。图2-1.1 滤波电感连续模式图2-1.2 滤波电感连续模式局部放大图2-1.1和图2-1.2中滤波器的开关频率与PFC电路的开关频率相近，又由于滤波电感值较大所以不能完全抑制住纹波。原因大概是这样，当加入这个滤波电路后相当于两个开关电源并联使用而两个开关电源的控制是分开的独立的，当两个电路频率较接近时候会产生干扰。下面是提高滤波电路的开关频率降低滤波电感感值使其工作于断续模式的仿真图：图2-2.1 滤波电感断续模式图2-2.2 滤波电感断续模式局部放大图2-2.1和图2-2.2中滤波电路的开关频率高于PFC电路的开关频率，输出电压Uo无工频纹波及PFC开关纹波（有滤波电路纹波）。上面电压控的两种模式也没达到预期效果滤波电路依然要处理较大的无功功率，电路中并联的大电容似乎未起作用。回复 \| 举报 \|

			23 boy59 boy59 离线 LV10 总工程师积分：16430 \| 主题：118 \| 帖子：2779 访问空间发消息积分:16430 LV10 总工程师 2015-6-16 09:53:10 倒数8
			为达到更理想的滤波效果在输出端串入了两个小电感，如下图3-1 图3-1 输出串联小电感电路两颗小电感的参数分别是2u和0.3u，电容参数分别为50u、0.3u、100u，输出负载为25欧姆，在此电路基础上的仿真结果如下：图3-2 输出串联小电感的仿真波形图3-2中输出纹波小于50mV，可见加入这两个小电感对提升电路性能还是有很大帮助的回复 \| 举报 \|

		19 lcrsemi lcrsemi 离线 LV3 助理工程师积分：247 \| 主题：0 \| 帖子：54 访问空间发消息积分:247 LV3 助理工程师 2015-6-15 20:41:48
		This is called active capacitor. 回复 \| 举报 \|

			22 boy59 boy59 离线 LV10 总工程师积分：16430 \| 主题：118 \| 帖子：2779 访问空间发消息积分:16430 LV10 总工程师 2015-6-16 09:30:32 倒数9
			翻译过来是主动式电容器？有源电容器吗？回复 \| 举报 \|

				24 lcrsemi lcrsemi 离线 LV3 助理工程师积分：247 \| 主题：0 \| 帖子：54 访问空间发消息积分:247 LV3 助理工程师 2015-6-16 21:45:07 倒数7
				就是个叫法而已。另外图4中电容的耐压很高，实际中需要串联电容+电容均压+相应的管子耐压也很高。所以你可以把电感和Qbuck的位置互换一下，这样应力都小下来。回复 \| 举报 \|

					29 boy59 boy59 离线 LV10 总工程师积分：16430 \| 主题：118 \| 帖子：2779 访问空间发消息积分:16430 LV10 总工程师 2015-6-18 10:02:34 倒数2
					经过再一次仿真发现了电感和开关管互换后仿真不成功的原因，下图5-1是之前仿真成功的接法图5-1 boost消顶Buck填谷电路在图5-1中当输出电压Uo高于设定电压时q2导通拉低Uo，当输出电压Uo低于设定电压时q1导通补偿Uo，这两个过程都是在开关管导通（Ton）时刻完成的。图5-2是电感和开关管互换后的电路图图5-2 Buck消顶Boost填谷电路在图5-2中当输出电压Uo高于设定电压时q1导通拉低Uo，当输出电压Uo低于设定电压时情况就不同了，q2管导通并不能补偿Uo的电压只要当q2关闭后电感的能量才能传递给Uo，仿真中直接将图5-1电路中的控制法套用在5-2电路中显然是不能成功的。回复 \| 举报 \|

						30 lcrsemi lcrsemi 离线 LV3 助理工程师积分：247 \| 主题：0 \| 帖子：54 访问空间发消息积分:247 LV3 助理工程师最新回复 2015-6-18 18:18:25 倒数1
						把Uo看成buck-boost的输出去控制就行了，这有什么疑惑吗？回复 \| 举报 \|

				25 lcrsemi lcrsemi 离线 LV3 助理工程师积分：247 \| 主题：0 \| 帖子：54 访问空间发消息积分:247 LV3 助理工程师 2015-6-16 21:47:06 倒数6
				当然这种电路可以有效地降低母线电容容量，以前那么大母线电容是为了抑制纹波。回复 \| 举报 \|

					27 boy59 boy59 离线 LV10 总工程师积分：16430 \| 主题：118 \| 帖子：2779 访问空间发消息积分:16430 LV10 总工程师 2015-6-17 11:02:49 倒数4
					位置互换过，只是参数没设置好仿真没成功，个人也觉得互换后的电路更好一些电路应力小一些（在仿真中滤波电路里的电容电压达到了800V）回复 \| 举报 \|

		28 boy59 boy59 离线 LV10 总工程师积分：16430 \| 主题：118 \| 帖子：2779 访问空间发消息积分:16430 LV10 总工程师 2015-6-17 11:09:16 倒数3
		将图3-1中的2u电感换成2m电感后的仿真波形为图4-1 增大无源滤波后的效果由于2m大电感的滤波作用使得后级的纹波较小，并联滤波器只需处理较小的纹波功率，从图4-1看出滤波电感中的电流远比之前的要小。这种并联式滤波器并未实现帖子最开始的设计初衷，其实帖子最开始的想法就可以用Boost-Buck电路来实现，这里转了一圈又回到了起点。图4-2 Boost-Buck电路如果将图4-2虚线框中的电路用线性三端稳压器替代就是线性元件消除工频纹波方案，这里用Buck电路替代线性电路能达到相同的效果但效率更高，这样可以从另一个角度来理解Boost-Buck电路，分析电路时也可借鉴线性稳压器的分析方法。先看一下仿真波形图4-3 Boost-Buck电路100u储能电容仿真波形作用在三端稳压器两端的压力差为Uc-Uo，这个值越小稳压器所要处理的功率就越小效率越高，假设开关式三端稳压器效率为95%损耗为5% Uc-Uo纹波约100V 计算三端稳压器损耗得100/1.414/（383+100/1.414）0.05=0.0076 既0.76%。现在增大储能电容Uc到300uF仿真结果为图4-4 图4-4Boost-Buck电路300u储能电容仿真波形* 图4-4中的Uc-Uo纹波约为50V计算三端稳压器损耗得50/1.414/(383+50/1.414)*0.05=0.0042 既0.42%。储能电容Uc的大小影响后级所要处理的功率和效率，选择合适的储能电容Uc可兼顾成本和性能。这里如果将Buck电路制作成稳压模块（同时封装控制电路）就构成了开关型三端稳压器，如果做为标准元件批量生产成本是否就可以接受？回复 \| 举报 \|