Infineon EVAL_2K4W_ACT_BRD_S7评估板评测-第一篇

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前言

这是InfineonEVAL_2K4W_ACT_BRD_S7评估板的评测帖子第一篇, 计划写四篇. 计划内容如下(可能会微调):

• 1.      本篇, 板子,PFC基础知识
• 2.      本评测板子主要器件,PFC设计
• 3.     使用PowerSim工具仿真PFC开关电源
• 4.      开关电源PFC设计
• 
  
  

硬件设计与特点

先插句题外话, 这个开发板很大, 拆开后其内容其实就是一个开关电源. 它的特点是功率密度大, 转换效率高, PFC校正效果好. 可以算是开关电源中的”高富帅”, 本系列的评测也是从它的设计原理来分析这些目标是怎么达到的.

先看看图片.

图 外包装是个工具箱

图 工具箱背面

图 盒子内部

图 主要内容就是开关电源评估板和一个备用器件盒子

图 安全警告,建议如果测试高压高功率电路经验和工具不足的情况下谨慎操作, 或者用仿真工具来代替实际的实验

图 测试报告,每个出厂的评估板都单独测试过, 后面的钩钩和签名都是手写的.

图 开关电源正面

图准备用来做实验的1000W/150 Ω电阻

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PFC快速培训班

开关电源虽然在日常生活,生产中非常普遍, 比如说电脑电源, 手机充电器,等等. 但是开关电源的控制以及带PFC的开关电源的原理比较了解的人,甚至很多电子工程师并不多. 这里简单介绍下,为后面的文章做一点铺垫.

本评测的主角是个带PFC的开关电源板. PFC是PowerFactor Correction的缩写,也就是功率因子校正. 功率因子是有功功率/视在功率的比值, 用来衡量有功功率在传输的总功率的占比. 如果pfc = 1, 则表明传输的功率都用于做功, 这就是最理想的状况了. 线性负载电路中pfc也可以用cosФ来表示, Ф为电流与电压的相位夹角, 当夹角为0时cosФ=1, 为π/2时cosФ=0. 为了让pfc更加接近1,这个夹角工程中希望向0趋近.

图 功率因子就是电压电流的夹角的cos值

比如纯阻性负载电路中就是这样的.

图 纯阻性负载电路

图 纯阻性电路瞬时仿真图

图中电源电压与负载上的电流相位相同,显示为一条曲线. 因为电流与电压完全同步, Ф=0,所以这种电路的pfc=1.

再来看看纯感性负载与纯容性负载的情况.

图 纯感性负载电路

图 纯感性电路瞬时仿真图

图 纯容性负载电路

图 纯容性电路瞬时仿真图

可以看出来, 不管是纯感性还是纯容性负载电路, 因为电压与电流的夹角Ф=π/2(感性负载电流落后,容性负载电流超前),所以cos Ф=0, 功率流进又流出, 没有做功.

当然实际电路中, 是没有以上的理想状况的, 实际的电路都有寄生参数, 功率因子在0-1之间.

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以上三个例子都是线性负载, 如果电路中有非线性器件, 如二极管, MOS管, 继电器则计算方法复杂一点. 需要使用谐波分析和积分.但是pfc=有功功率/视在功率的公式是一样的.下面看一个常见的全桥整流电路.

图全桥整流电路

图 全桥整流电路瞬时仿真图

交流电的第一个半周期需要向整压电容充电, 后面的时间内, 电阻上的电流由输入电源与电容共同提供. 与输入电压的相位对照看, 可以看出来只有输入电压高于电容当前电压的很小一个夹角区间, 输入电源才会输出尖峰功率脉冲(电流流出),在输入电压波谷附近还有电流流回电源. 这样的电路功率因数不高. 这是为了输出电压保持稳定所付出的代价. 实际的电路中, 凡是输出电压要求保持稳定, 都需要这样的整压电容, 从而使得整个负载对输入电源而言是个容性负载. 电动机等负载则是感性负载.

功率因数不高有什么坏处, 为什么要校正功率因素呢?

• 1.  无功功率需要传输, 一定会带来损耗, 因为传输介质都会发生传导损耗;
• 2.  无功功率导致整个供电电路需要更高的规格, 如有功功率是100W, 功率因子0.5, 则发电机, 变压器, 传输线路都需要按照最高200W的规则来设计,推高了硬件成本;
• 3.  无功功率会影响供电侧的正弦性,造成谐波干扰.
  

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看这个例子:

图 啤酒杯的例子

底下的装酒的实际容量是有功功率, 泡沫那一段是无功功率, 整个加起来就是视在功率.如果倒酒的手法不好, 那么杯子的容量就要求就大. 这个例子中酒的实际容量/(酒+泡沫的容量)可以看作是功率因数的很好的一个诠释.

家用环境, 因为用电功率不是很大, 所以无功功率造成的损耗, 硬件成本上升, 谐波干扰都有限, 所以家用电表只计有功功率来收费. 如果是工业用电, 无功功率要按照一定比率来收费. 所以功率到达一定数字之后, 功率因数校正成为一个很现实的需求. 供电单位一般都会根据用电单位负载特性专门的配置一些硬件来校正功率因数. 但是对于开关电源而言, 电源是先转换为直流电, 再用PWM调制, 最后又用整压电路转成直流, 用电部门不知道实际用电器件的真实阻抗特性.所以开关电源需要本身带有PFC. 根据欧洲的EN61000-3-2 标准, 75W以上的开关电源必须至少使用被动PFC设计(一个铁心线圈), 80W以上的话就需要主动功率因数校正设计了.我国的标准与之类似.

本片到此为止, 下篇见!