做PFC控制方向的文獻(xiàn)整理我前后斷斷續(xù)續(xù)做了三年多。剛開始純粹是項(xiàng)目需要——要處理兩路無橋PFC并聯(lián)的方案網(wǎng)上資料東一塊西一塊今天翻到一篇講圖騰柱的明天又看到一篇講維也納的看完還是串不起一條完整的技術(shù)線。后來帶團(tuán)隊(duì)做預(yù)研每次新同事入職都要重新講一遍拓?fù)浜涂刂品椒ㄎ也畔聸Q心把PFC、無橋PFC、圖騰柱、維也納、雙環(huán)控制這些長期以來散落在論文和應(yīng)用筆記里的內(nèi)容按自己的理解重新排了一遍。這篇整理不是學(xué)術(shù)綜述是我自己讀文獻(xiàn)時(shí)的路線圖尤其適合做電源硬件或者數(shù)字電源控制的工程師剛?cè)腴T的研究生也能順著這條線把“PFC到底在控什么、為什么這么控”弄明白。1. 從電網(wǎng)側(cè)看PFC為什么文獻(xiàn)里繞不開這三個(gè)指標(biāo)1.1 功率因數(shù)與THD的關(guān)系先分清概念邊界讀PFC文獻(xiàn)第一個(gè)繞不開的詞是功率因數(shù)PF第二個(gè)是總諧波失真THD。很多人一開始會(huì)把這兩個(gè)概念混在一起實(shí)際它們是同一個(gè)問題的兩面。功率因數(shù)的定義是有功功率除以視在功率。純正弦電壓、純正弦電流且同相時(shí)PF等于1一旦電流波形發(fā)生畸變或者電流與電壓存在相位差PF就會(huì)小于1。文獻(xiàn)里常用一個(gè)近似公式把PF和THD聯(lián)系起來PF ≈ 1 / sqrt(1 THD^2)這個(gè)公式成立的前提是電壓是理想正弦波。大多數(shù)文獻(xiàn)里的PF和THD就是靠這個(gè)關(guān)系互推的你在看論文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表時(shí)只要給出THD基本能估算出PF大概是多少。反過來也一樣。我見過不少剛接觸PFC的人有一個(gè)誤解覺得PF低只是因?yàn)椤半娏骱碗妷合辔徊粚Α?。?shí)際上對于開關(guān)電源這類非線性負(fù)載更嚴(yán)重的問題是電流波形畸變——傳統(tǒng)的整流橋加大電容方案輸入電流呈現(xiàn)窄尖峰脈沖諧波含量很高PF可能只有0.6左右。PFC電路的核心任務(wù)就是把輸入電流從這種“窄尖峰”整形成跟輸入電壓同頻同相的正弦波。相位問題反而在其次電流畸變才是治理重點(diǎn)。文獻(xiàn)里討論控制策略的優(yōu)劣本質(zhì)上都在看它對電流波形畸變的抑制能力。1.2 諧波標(biāo)準(zhǔn)和測試條件決定了控制目標(biāo)做電源產(chǎn)品諧波電流是由標(biāo)準(zhǔn)管著的。做文獻(xiàn)整理時(shí)你會(huì)發(fā)現(xiàn)幾乎所有應(yīng)用類的PFC論文都會(huì)在引言里提IEC 61000-3-2諧波標(biāo)準(zhǔn)因?yàn)樗谴蟛糠置裼煤洼p工業(yè)設(shè)備的準(zhǔn)入門檻很多產(chǎn)品的設(shè)計(jì)目標(biāo)直接圍著它的限值走。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)按設(shè)備類型分成Class A到Class D幾個(gè)類別限制值不一樣。照明設(shè)備、電視、電腦這類屬于Class D限值比較嚴(yán)格通用電源多數(shù)按Class A考核。涉足不同市場的產(chǎn)品PFC設(shè)計(jì)的余量要求完全不同。比如做出口的適配器除了IEC 61000-3-2客戶還可能追加THD10%或者THD5%的企標(biāo)這直接決定控制算法要不要加諧波補(bǔ)償環(huán)路。讀文獻(xiàn)時(shí)還要注意實(shí)驗(yàn)條件。同樣一臺(tái)PFC在230Vac輸入和110Vac輸入下的THD表現(xiàn)差異很大在滿載和輕載下差異更大。很多論文展示的是“工況最好的那張圖”你在引用結(jié)論或者對比方案前一定要看它測試時(shí)輸入電壓是多少、負(fù)載率是多少。我踩過這個(gè)坑早期對比兩篇文獻(xiàn)的THD數(shù)據(jù)以為兩個(gè)方案差很多后來發(fā)現(xiàn)一個(gè)是在115Vac下測的另一個(gè)是在230Vac下測的根本沒有可比性。1.3 讀文獻(xiàn)前必須建立的一套坐標(biāo)系PFC文獻(xiàn)數(shù)量很大如果不帶坐標(biāo)去讀很容易淹沒在細(xì)節(jié)里。我自己整理文獻(xiàn)時(shí)會(huì)給每篇論文先打上四維標(biāo)簽功率等級幾十瓦到幾百瓦是一類千瓦級是一類幾十千瓦又是一類。不同功率等級選用的拓?fù)?、器件、控制方式完全不同。輸入類型單相還是三相寬范圍輸入90~264Vac還是窄范圍輸入如176~264Vac。寬范圍輸入對控制環(huán)的魯棒性要求高很多?？刂破脚_(tái)模擬實(shí)現(xiàn)還是數(shù)字實(shí)現(xiàn)。早期經(jīng)典文獻(xiàn)很多基于模擬芯片UC3854就是典型近十年基本都是數(shù)字方案控制自由度差很多。性能目標(biāo)偏效率還是偏成本還是偏尺寸。同一個(gè)拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)不同設(shè)計(jì)結(jié)論可以直接相反。有了這四維坐標(biāo)系再論P(yáng)FC文獻(xiàn)里每個(gè)分支的演進(jìn)脈絡(luò)就清晰了拓?fù)涞难葸M(jìn)是為了在特定功率等級下減少損耗、提高密度控制策略的演進(jìn)是為了在寬輸入范圍、負(fù)載突變下維持良好的THD和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。2. 拓?fù)溲葸M(jìn)的文獻(xiàn)主線有橋、無橋、圖騰柱與維也納2.1 經(jīng)典Boost型PFC所有文獻(xiàn)的地基做PFC文獻(xiàn)整理不把Boost型升壓PFC吃透就往后看無橋、圖騰柱大概率會(huì)走彎路因?yàn)檫@些后續(xù)拓?fù)浔举|(zhì)上都是Boost的變體控制原理的九成是相通的。經(jīng)典Boost型PFC由整流橋加Boost升壓電路組成。整流橋把交流變成脈動(dòng)的直流Boost電路在這個(gè)脈動(dòng)直流后面高速開關(guān)使輸入電流平均值跟隨輸入電壓波形。因?yàn)锽oost電路的電感位于輸入端電流是連續(xù)可控的所以它能實(shí)現(xiàn)很低的THD。這也是為什么絕大多數(shù)PFC控制文獻(xiàn)都以Boost為研究對象。文獻(xiàn)里對Boost PFC工作模式的討論主要是三種CCM電感電流連續(xù)、CRM電感電流臨界連續(xù)、DCM電感電流斷續(xù)。CCM適合中高功率電流紋波小、THD容易做好但二極管存在反向恢復(fù)問題開關(guān)管是硬開關(guān)損耗相對高。CRM在中低功率段很流行開關(guān)管可以實(shí)現(xiàn)ZVS零電壓開通二極管反向恢復(fù)問題小但開關(guān)頻率跟隨輸入電壓周期性變化電感和EMI濾波器設(shè)計(jì)要適應(yīng)寬頻段。DCM雖然控制最簡單但電流峰值高、THD較差目前在PFC主功率級用得少多見于低功率輔助電源。很多初學(xué)者直接跳進(jìn)無橋拓?fù)湓蚴强吹接腥苏f整流橋在低電壓大電流下?lián)p耗大。這個(gè)判斷本身沒錯(cuò)但你要理解其中的量化關(guān)系一個(gè)100W適配器在220Vac輸入下橋式整流器的導(dǎo)通損耗可能不到1W改進(jìn)空間有限但到了1000W以上、輸入電壓又是100Vac的低壓場景整流橋損耗可能占到總損耗的1%~2%這時(shí)去掉整流橋的紅利才顯著。文獻(xiàn)里每條拓?fù)渎肪€背后都有一個(gè)“損耗賬”帶著賬去讀文獻(xiàn)能看到很多表面看不出的取舍。2.2 無橋PFC與圖騰柱無橋效率提升背后的代價(jià)無橋PFC的核心思路是去掉整流橋讓電流路徑上少經(jīng)過兩個(gè)二極管壓降從而降低導(dǎo)通損耗。文獻(xiàn)里經(jīng)典的無橋Boost PFC有幾種變體基本無橋、雙Boost無橋、雙向開關(guān)無橋等。它們各有特點(diǎn)但共性問題也很一致——輸入電壓檢測、電流檢測、共模噪聲、啟動(dòng)浪涌和防雷這些功能在去掉整流橋后需要重新設(shè)計(jì)。舉個(gè)例子有橋Boost PFC的輸入電流回路里整流橋天然把輸入電壓和母線GND隔開共模噪聲相對好處理無橋PFC去掉整流橋后電感就直接暴露在交流輸入端高頻開關(guān)節(jié)點(diǎn)對地的共模電流路徑變了EMI濾波器的設(shè)計(jì)和共模電感的選型都要重新考慮。早期無橋PFC文獻(xiàn)里有不少篇幅就在討論這個(gè)問題。圖騰柱無橋PFC是近五年文獻(xiàn)里最熱的方向之一尤其是配合氮化鎵GaN器件之后。它的結(jié)構(gòu)是一條橋臂用兩個(gè)高頻MOS管構(gòu)成圖騰柱另一條橋臂用兩個(gè)二極管或者低頻MOS構(gòu)成工頻換向部分。圖騰柱最大的技術(shù)難點(diǎn)在橋臂MOS體二極管的反向恢復(fù)問題。如果讓圖騰柱工作在硬開關(guān)CCM當(dāng)上下橋臂交替導(dǎo)通時(shí)MOS內(nèi)部的體二極管會(huì)經(jīng)歷反向恢復(fù)它的電荷Qg和反向恢復(fù)時(shí)間在Si基MOS上會(huì)造成很大的開關(guān)損耗和振鈴嚴(yán)重時(shí)甚至損壞器件。這也是圖騰柱PFC早期難以實(shí)用化的原因。GaN器件沒有傳統(tǒng)意義上的體二極管反向恢復(fù)問題二維電子氣結(jié)構(gòu)反向?qū)щ姇r(shí)沒有少數(shù)載流子存儲(chǔ)效應(yīng)所以圖騰柱PFC在CCM模式下才真正變得高效。除了GaN器件路線不少文獻(xiàn)還在做CRM模式下的圖騰柱PFC利用臨界連續(xù)模式實(shí)現(xiàn)ZVS這樣用Si基MOS也能做。你在讀文獻(xiàn)時(shí)會(huì)看到兩條方向一條是“GaN CCM 高頻”面向千瓦級服務(wù)器電源和適配器另一條是“Si CRM 變頻”功率段集中在300W~1000W。2.3 維也納PFC三相場景的主流選擇單相PFC的拓?fù)溆懻摰米顭狒[但到了三相系統(tǒng)比如充電樁、通信電源、中大功率UPS維也納PFCVienna Rectifier幾乎是最常見的選擇熱搜詞里“三相維也納pfc工作原理”被頻繁搜索跟新能源充電設(shè)備的普及直接相關(guān)。維也納拓?fù)浔举|(zhì)上是一個(gè)三相三電平PFC整流器。它的名字來自維也納大學(xué)結(jié)構(gòu)上用每相橋臂中雙向開關(guān)加四個(gè)二極管組合把交流側(cè)電壓鉗位到直流母線中點(diǎn)形成三個(gè)電平的輸出。讀維也納相關(guān)文獻(xiàn)重點(diǎn)抓三個(gè)特征三電平結(jié)構(gòu)降低了開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力輸出800V直流母線時(shí)開關(guān)器件只需650V耐壓等級這在器件選型上是巨大優(yōu)勢。輸入電流諧波性能好每相橋臂相當(dāng)于一個(gè)三電平變換器等效開關(guān)頻率提高電流紋波小THD容易滿足嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)?？刂茝?fù)雜度顯著上升硬件上需要處理母線電容中點(diǎn)電位平衡控制上需要三相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換、鎖相環(huán)、多個(gè)控制環(huán)協(xié)調(diào)。維也納拓?fù)涞脑砦墨I(xiàn)基本都會(huì)講“三相不控整流到PWM整流”的演進(jìn)過程。如果用一句話概括維也納PFC就是用三個(gè)雙向開關(guān)管替換了傳統(tǒng)三相整流橋中的不可控導(dǎo)通路徑通過PWM調(diào)制讓每相輸入電流跟蹤對應(yīng)的正弦參考同時(shí)把輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定值?？刂品椒ㄉ想p閉環(huán)以dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系為核心或者在三相靜止坐標(biāo)系下用比例諧振控制實(shí)現(xiàn)后者在數(shù)字控制平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)起來更直觀。2.4 拓?fù)溥x型對照表我把整理過的拓?fù)湫畔R總成一張表這個(gè)表也是我給自己項(xiàng)目選型時(shí)最先打開的參考拓?fù)涞湫凸β瘦斎胂鄶?shù)主要優(yōu)勢主要挑戰(zhàn)典型應(yīng)用Boost PFC75W~3000W單相技術(shù)成熟、控制簡單、成本低整流橋損耗、硬開關(guān)適配器、電視機(jī)電源、充電器無橋Boost PFC300W~3000W單相去掉整流橋、效率提高共模噪聲、EMI設(shè)計(jì)、檢測電路復(fù)雜中高效率電源、OBC車載充電圖騰柱無橋PFC300W~3000W單相效率極高、配合GaN適合高頻化體二極管反向恢復(fù)、GaN成本服務(wù)器電源、快充、適配器維也納PFC3kW~100kW三相三電平、應(yīng)力低、THD好控制復(fù)雜、中點(diǎn)平衡、成本高充電樁、通信電源、UPS這個(gè)表只是初步分類文獻(xiàn)里還有很多變體比如交錯(cuò)并聯(lián)Boost、三相交錯(cuò)圖騰柱、六開關(guān)維也納等。讀變體文獻(xiàn)時(shí)不要被結(jié)構(gòu)差異帶偏要知道每一種變體都是為了解決上表中的某個(gè)“主要挑戰(zhàn)”而出現(xiàn)的思路就會(huì)順很多。3. 控制策略文獻(xiàn)的核心電壓電流雙環(huán)與數(shù)字化演進(jìn)3.1 雙環(huán)控制的物理含義與參數(shù)設(shè)計(jì)邏輯PFC控制文獻(xiàn)里出現(xiàn)頻率最高的結(jié)構(gòu)就是“電壓電流雙環(huán)控制”。搜索熱詞里“pfc電壓電流雙環(huán)控制方法”排在前面說明大部分做工程的人都在看這條路它是單相PFC的標(biāo)準(zhǔn)答案。雙環(huán)控制分兩層外環(huán)是電壓環(huán)采樣輸出直流母線電壓經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后輸出電流幅值指令內(nèi)環(huán)是電流環(huán)讓電感電流跟蹤“電流指令與輸入電壓瞬時(shí)波形的乘積”也就是一個(gè)正弦參考。電流參考里面為什么要有輸入電壓波形信息因?yàn)镻FC的目標(biāo)是讓輸入電流與輸入電壓同相所以內(nèi)環(huán)的參考必須“跟著輸入電壓走”這就是前饋的物理含義。典型做法是用輸入電壓的歸一化采樣值乘上電壓環(huán)輸出的幅值得到正弦電流參考。電壓環(huán)的帶寬必須設(shè)計(jì)得比較低通常只做到10~20Hz甚至更低。原因很直觀母線電容上的電壓存在兩倍電網(wǎng)頻率的紋波100Hz或120Hz如果電壓環(huán)帶寬太高它對這輛紋波做出反應(yīng)電流幅值指令就會(huì)被紋波調(diào)制導(dǎo)致輸入電流畸變、THD變差。所以文獻(xiàn)里常說電壓環(huán)要有“濾波作用”控制它的本質(zhì)就是在“動(dòng)態(tài)響應(yīng)”和“輸入諧波”之間做權(quán)衡。電流內(nèi)環(huán)則要足夠快帶寬一般做到開關(guān)頻率的1/10到1/20確保電流能緊密跟蹤正弦參考。電流環(huán)的被控對象是升壓電感和等效串聯(lián)電阻典型的小信號模型是一階慣性環(huán)節(jié)比普通DC-DC變換器的電流環(huán)更簡單。參數(shù)整定在工程上常見做法是先根據(jù)電流環(huán)穿越頻率要求算PI參數(shù)然后固定電流環(huán)再設(shè)計(jì)電壓環(huán)。關(guān)于小信號建模的推導(dǎo)建議直接看經(jīng)典教材比如Erickson的《Fundamentals of Power Electronics》這套理論在PFC文獻(xiàn)里反復(fù)被引用早點(diǎn)掌握后續(xù)讀論文省大量時(shí)間。3.2 電流內(nèi)環(huán)的經(jīng)典控制方法對比到電流內(nèi)環(huán)層面PFC文獻(xiàn)里主要有幾大流派平均電流控制、峰值電流控制、滯環(huán)電流控制、CRM變頻控制。平均電流控制是應(yīng)用最廣的。UC3854這顆著名芯片就是這種控制方式。它通過電流誤差放大器對電感電流的平均值進(jìn)行閉環(huán)控制開關(guān)頻率固定THD性能好抗干擾能力強(qiáng)適用于CCM模式的中大功率PFC。幾乎所有數(shù)字PFC控制器的底層都是平均電流控制的離散化實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)里只要討論CCM PFC控制平均電流是基準(zhǔn)方案。峰值電流控制實(shí)現(xiàn)起來簡單只需要比較電感電流峰值和參考值就能直接產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號。但它有兩個(gè)缺點(diǎn)占空比大于0.5時(shí)需要斜坡補(bǔ)償否則會(huì)次諧波振蕩同時(shí)電感電流的峰值和平均值之間存在誤差在PFC這種輸入電壓和電流都大范圍變化的場景下THD會(huì)受影響。所以峰值電流在PFC文獻(xiàn)里并不是主流多見于早期的低功率方案。滯環(huán)電流控制讓電感電流在一個(gè)滯環(huán)帶內(nèi)上下波動(dòng)開關(guān)頻率不固定動(dòng)態(tài)響應(yīng)快但變頻特性會(huì)給EMI濾波器、磁性元件設(shè)計(jì)帶來麻煩所以一般只在小功率或者對EMI要求不高的場合用。三種控制方式對比如下控制方式開關(guān)頻率是否需斜坡補(bǔ)償THD表現(xiàn)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度適用范圍平均電流控制固定否優(yōu)中等中高功率CCM PFC峰值電流控制固定是D0.5時(shí)一般低低功率PFC滯環(huán)電流控制變頻否良好低對EMI不敏感的小功率3.3 從模擬到數(shù)字單周期控制與模型預(yù)測方向近十年P(guān)FC控制文獻(xiàn)的主要變化是全面數(shù)字化。數(shù)字控制的論文里除了前面講的平均電流雙環(huán)還有單周期控制OCCOne-Cycle Control和模型預(yù)測控制MPC兩類值得關(guān)注。單周期控制的思路很巧妙不需要輸入電壓采樣也不需要乘法器在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)強(qiáng)制讓電流的平均值正比于電壓環(huán)輸出從而實(shí)現(xiàn)PFC功能。它在瞬態(tài)響應(yīng)上比傳統(tǒng)雙環(huán)更快電路實(shí)現(xiàn)成本低早期的PFC芯片和一部分大功率產(chǎn)品的單周期控制PFC就是這么做的。但它有幾個(gè)實(shí)際限制包括對電網(wǎng)電壓畸變的魯棒性、三相應(yīng)用時(shí)的對稱性問題所以在高要求場合還需要額外補(bǔ)償。文獻(xiàn)里單周期控制和雙環(huán)控制的對比研究很多值得精讀幾篇。模型預(yù)測控制這幾年在IEEE期刊上的數(shù)量增長很快基本思路是建立系統(tǒng)的離散預(yù)測模型每個(gè)控制周期枚舉所有可能的開關(guān)狀態(tài)計(jì)算代價(jià)函數(shù)選擇最優(yōu)開關(guān)動(dòng)作。MPC動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、多目標(biāo)約束處理靈活但計(jì)算量大開關(guān)頻率不固定對模型參數(shù)敏感目前大量文獻(xiàn)還停留在仿真或低功率樣機(jī)階段。你要是做產(chǎn)品建議把MPC當(dāng)儲(chǔ)備技術(shù)跟進(jìn)不要輕易在量產(chǎn)項(xiàng)目里上。另外數(shù)字控制文獻(xiàn)里繞不開的還有“數(shù)字延遲”這個(gè)工程問題。ADC采樣、計(jì)算、PWM更新都需要時(shí)間這個(gè)延遲在高帶寬設(shè)計(jì)里會(huì)造成控制環(huán)相位裕度下降。文獻(xiàn)里常討論“控制延遲補(bǔ)償”“多采樣”“預(yù)測觀測器”等對策。我實(shí)際做項(xiàng)目時(shí)發(fā)現(xiàn)很多數(shù)字PFC THD做不好的原因不在控制算法本身而在采樣時(shí)刻選的不好——需要在接近峰值或過零點(diǎn)的時(shí)刻做同步采樣避開開關(guān)紋波。這個(gè)經(jīng)驗(yàn)仿真里不太容易體現(xiàn)調(diào)式時(shí)卻能折騰人一兩天。4. 多路并聯(lián)與兩級架構(gòu)的文獻(xiàn)延伸4.1 兩路無橋PFC并聯(lián)均流與交錯(cuò)工程上當(dāng)你需要更大功率時(shí)用單個(gè)PFC模塊硬抗并不是最優(yōu)解。器件應(yīng)力、熱設(shè)計(jì)、磁性元件尺寸都會(huì)被逼到一個(gè)難受的邊界于是文獻(xiàn)中大量出現(xiàn)“交錯(cuò)并聯(lián)”和“多路無橋并聯(lián)”的方案。這里面的原因很現(xiàn)實(shí)兩路75A的PFC并聯(lián)比一路150A的PFC更好散熱電感和MOS管選型也更容易冗余性還更好。兩路無橋PFC并聯(lián)的文獻(xiàn)核心看點(diǎn)有兩個(gè)一個(gè)是均流一個(gè)是交錯(cuò)。均流控制的目標(biāo)是讓兩條支路的電流大體相等。常用方法有垂倒下率均流droop、平均電流均流和主從均流。PFC的均流跟純DC-DC不同因?yàn)閮蓷l支路共享同一個(gè)輸入電壓波形和同一個(gè)輸出電壓目標(biāo)每路電流都要跟隨正弦參考但在過零點(diǎn)附近電流值很小這時(shí)如果兩路控制的零漂差異稍微明顯都會(huì)造成一路關(guān)斷另一路過流的不平衡現(xiàn)象。文獻(xiàn)里解決這個(gè)問題的常見做法是給電流環(huán)加一個(gè)輕載時(shí)的最小脈沖鉗位或者通過數(shù)字校準(zhǔn)消除采樣零漂。交錯(cuò)指的是兩路PFC的開關(guān)頻率相同但相位錯(cuò)開180°。這樣做最大的好處是輸入電流紋波相互抵消合成紋波減小輸入EMI濾波器尺寸可以縮小。熱搜里“2路無橋pfc并聯(lián)”搜得很多大多數(shù)工程人員其實(shí)是想解決“交錯(cuò)后總電流波形有缺口怎么辦”的問題。我整理文獻(xiàn)時(shí)的結(jié)論是這個(gè)短板通常不是控制算法的問題而是兩路電感值不一致、開關(guān)管寄生參數(shù)不對稱導(dǎo)致的電流紋波不對稱需要在硬件參數(shù)匹配和均流環(huán)之間同時(shí)下手。4.2 PFC與LLC的協(xié)同設(shè)計(jì)“pfc和llc電路圖及原理”也是熱搜詞里的大頭。原因是現(xiàn)在電源行業(yè)的主流方案就是“PFC LLC”兩級架構(gòu)前級PFC負(fù)責(zé)功率因數(shù)校正、把交流整成穩(wěn)定的直流母線后級LLC負(fù)責(zé)隔離和電壓調(diào)節(jié)輸出穩(wěn)定的DC電壓。兩級架構(gòu)為什么要拆分因?yàn)閭鹘y(tǒng)的單級AC-DC變換器比如反激想同時(shí)實(shí)現(xiàn)PFC和輸出電壓調(diào)節(jié)需要在變壓器設(shè)計(jì)上做很多折中功率做大后效率、體積、控制穩(wěn)定性都不占優(yōu)。PFCLLC把“功率因數(shù)校正”和“電壓變換”解耦每級各自發(fā)揮最優(yōu)性能PFC只管把交流和直流母線之間的能量管理好LLC只管做高效的電氣隔離和降壓/升壓。兩級協(xié)作的文獻(xiàn)里討論最多的幾個(gè)點(diǎn)PFC輸出電壓的選取。最典型的是400V或390V直流母線因?yàn)長LC諧振變換器在輸入電壓略高于諧振點(diǎn)時(shí)工作效率最高母線電壓設(shè)定在390V左右可以讓LLC在較窄的輸入范圍內(nèi)工作在最優(yōu)點(diǎn)附近。母線電壓選太高器件應(yīng)力增大選太低LLC的效率會(huì)變差。輕載效率優(yōu)化。兩級架構(gòu)輕載時(shí)兩級都在工作損耗是疊加的。很多文獻(xiàn)提出“LLC加PFC間歇工作模式”或者“跳周期”來提升輕載效率。啟動(dòng)時(shí)序。先讓PFC建壓再啟動(dòng)LLC還是同步啟動(dòng)這個(gè)在工程上直接關(guān)系到啟動(dòng)浪涌電流和輸出電壓的過沖做系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)束手無策文獻(xiàn)里往往一句話帶過但實(shí)際要處理的事情很多。讀這類系統(tǒng)級文獻(xiàn)我的做法是先看功率鏈再看控制鏈最后看保護(hù)時(shí)序鏈三個(gè)鏈路看清楚就能理解一臺(tái)機(jī)器是怎么被設(shè)計(jì)出來的。4.3 系統(tǒng)級文獻(xiàn)怎么讀才不白費(fèi)時(shí)間給個(gè)個(gè)人建議系統(tǒng)級文獻(xiàn)的閱讀方法和單篇拓?fù)湮墨I(xiàn)完全不同。單篇拓?fù)湮墨I(xiàn)看的是電路結(jié)構(gòu)和控制框圖系統(tǒng)級文獻(xiàn)看的是“能量流動(dòng)”和“狀態(tài)切換”——什么時(shí)候工作在什么模式、模式之間怎么切換、切換時(shí)電壓電流如何過渡。比如PFCLLC系統(tǒng)你要關(guān)注的是PFC的輸出電壓紋波如何被LLC輸入端的電容吸收、輕載下PFC是否需要進(jìn)入打嗝模式、打嗝模式的閾值如何設(shè)定、母線電容容量對掉電保持時(shí)間的影響。這些內(nèi)容在期刊論文里經(jīng)常是“工程細(xì)節(jié)”被一句話帶過但在應(yīng)用筆記TI、Infineon、安森美、ST的設(shè)計(jì)指南里反而講得很細(xì)。所以做文獻(xiàn)整理時(shí)不要只盯IEEE廠家的應(yīng)用手冊不丟人它是對學(xué)術(shù)文獻(xiàn)的重要補(bǔ)充甚至更值錢。5. 文獻(xiàn)整理的具體操作從檢索到落地5.1 檢索關(guān)鍵詞與數(shù)據(jù)庫使用最后聊一點(diǎn)實(shí)際操作層面的東西怎么把這個(gè)方向越理越順。檢索PFC文獻(xiàn)時(shí)關(guān)鍵詞組合很重要。業(yè)內(nèi)常用的英文關(guān)鍵詞有這么幾組我整理時(shí)會(huì)把每一組都過一遍拓?fù)湎騊ower Factor Correction、PFC rectifier、Bridgeless PFC、Totem-pole PFC、Vienna rectifier、Interleaved PFC?？刂葡駻verage current control、Peak current control、One-cycle control、Model predictive control、Dual-loop control、Grid current shaping。數(shù)字方向Digital PFC control、Digital delay compensation、Multi-sampling。器件方向GaN PFC、SiC diode PFC。如果加上了“Wide bandgap”前綴搜索命中會(huì)跳一大截。中文文獻(xiàn)的話知網(wǎng)和萬方里搜“功率因數(shù)校正”“無橋PFC”“圖騰柱”“維也納整流器”核心期刊和學(xué)位論文都有不少可以參考的綜述。學(xué)位論文的第一章通常會(huì)把研究背景和現(xiàn)有方案梳理得很明白是快速入門的最佳抓手。英文方面IEEE Xplore是主庫另外Google Scholar上把引用量排序靠前的論文精讀幾篇基本就能掌握這個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)地圖。5.2 精讀順序與筆記方法拿到了幾十篇文獻(xiàn)不能抓到什么讀什么。我的閱讀順序是這樣的先讀綜述論文。每個(gè)方向找一兩篇近五年的IEEE Access或IEEJ Transactions上的綜述了解技術(shù)樹的全貌。綜述會(huì)帶你看到“哪些問題已經(jīng)解決、哪些還有爭議、未來往哪里走”。再讀經(jīng)典奠基文獻(xiàn)。比如R. Erickson的教材章節(jié)、W. M. Maksimovi?團(tuán)隊(duì)關(guān)于PFC平均電流控制的早期論文。這些文獻(xiàn)年代早、理論扎實(shí)是理解后續(xù)一切改進(jìn)的參照系。接著讀高引用的對比文獻(xiàn)。比如圖騰柱PFC在不同器件平臺(tái)下的效率對比、維也納不同調(diào)制方法的比較。最后讀最新期刊和會(huì)議論文?？串?dāng)前的研究熱點(diǎn)比如基于GaN的MHz級PFC、基于學(xué)習(xí)的控制參數(shù)自整定等。筆記方法上我不太建議在PDF里畫滿高亮而是強(qiáng)迫自己用“一頁紙?zhí)釤挿ā薄科墨I(xiàn)讀完后寫五行用一句線畫出拓?fù)浜完P(guān)鍵器件用一句話寫控制架構(gòu)用一句話寫實(shí)驗(yàn)條件輸入電壓、輸出功率、開關(guān)頻率用一句話寫主要結(jié)論用一句話寫“這篇文章對我有什么可借鑒的”。這樣整理下來的筆記在寫方案時(shí)比原始PDF好用得多。5.3 仿真驗(yàn)證與樣機(jī)驗(yàn)證的取舍文獻(xiàn)里的波形圖很好看但復(fù)制出來的仿真結(jié)果往往差很多。我在整理過程中越來越認(rèn)可一個(gè)原則文獻(xiàn)的價(jià)值在思路不在結(jié)果。拓?fù)浜涂刂频脑硭悸分档脜⒄盏撐睦镉玫钠骷吞?、寄生參?shù)、驅(qū)動(dòng)回路布局、PCB寄生電感、采樣濾波環(huán)節(jié)的參數(shù)這些在論文里幾乎沒有完整披露過。直接拿文獻(xiàn)參數(shù)去做仿真通常會(huì)遇到振蕩、THD偏高、效率對不上等問題。除非你有跟論文完全一致的磁性元件模型否則“復(fù)現(xiàn)文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)”這個(gè)目標(biāo)基本不現(xiàn)實(shí)。工程上更靠譜的路徑是用文獻(xiàn)的思路搭建自己的仿真模型器件模型用廠商提供的實(shí)際型號最好是帶寄生參數(shù)的SPICE模型或PLECS熱模型磁性元件按自己的設(shè)計(jì)算好參數(shù)然后在仿真里驗(yàn)證控制環(huán)路的穩(wěn)定性和諧波性能。先用簡化的小信號模型算PI初值再在仿真里加非線性、加數(shù)字延遲逐步逼近真實(shí)系統(tǒng)。最后上樣機(jī)時(shí)我的經(jīng)驗(yàn)是至少預(yù)留20%的環(huán)路裕量不要按理論邊界去調(diào)。最后再分享一個(gè)文獻(xiàn)整理的小技巧給每個(gè)技術(shù)方向建一張對比表縱軸是文獻(xiàn)橫軸是“拓?fù)?控制方式/實(shí)驗(yàn)條件/主要結(jié)果/可借鑒點(diǎn)”字段越統(tǒng)一越好。我做項(xiàng)目選型時(shí)不用重新翻幾十篇PDF直接看一張表就夠了。整理三五年后你會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)過程產(chǎn)出的不只是文檔而是你對整個(gè)技術(shù)方向從點(diǎn)到面的判斷力。