PFC3D命令说明
（COMMON COMMAND REFERENCE）
PFC3D是基于命令驱动模式（COMMAND-DRIVEN FORMAT）的软件，各种命令控制着程序的运行，这部分内容将介绍PFC3D软件的内嵌命令。
本说明文件译自PFC3D软件2.0版使用手册中的COMMAND REFERENCE部分，并补充了一些手册中没有的命令（如设置粘性阻尼、生成圆柱、螺旋壁面等，这些命令在更高版本的手册中有说明）。命令说明的顺序没有采用原手册中按字母排序的方式，而是根据创建PFC3D 模型解决实际物理问题的一般过程，对相关命令加以说明。PFC3D手册中COMMON COMMAND REFERENCE只对每个命令的格式和基本功能做了简单介绍，本说明文件对每个命令做了更详细的解释，为保持文件的可读性，对命令的详细解释都以附录形式给出。
本文件介绍了PFC3D的基本功能，对初学者有较大帮助，但要进行高级应用，还需清楚了解DEM和PFC3D相关功能的基本原理以及软件的结构等。由于只关注使用PFC3D解决颗粒流的问题，涉及颗粒流的命令介绍的比较详细，而用于岩土工程等其他领域的命令，由于关注很少且专业知识缺乏，只是不求甚解。
0.关于命令格式的说明：
PFC3D中每个命令基本包含3部分：命令名、必需关键词和可选关键词。本说明文件中，命令名和必需关键词写在第一行，尖括号
…
hert z …
id id
x x
y y
z z
说明：命令名为BALL的命令，具有必需关键词rad（参数r）和hert z、id、x、y、z等可选关键词。其中hert z不带参数，最短可简写为hert；id、x、y、z的参数分别为id、x、y、z。
另外，PFC3D默认对内嵌命令以及FISH函数中的命令名、关键词、参数等的字母大小写不敏感，也可设置为大小写敏感（使用SET case_sensitivity on命令），建议使用对字母大小写
不敏感模式，可减少错误的产生。
1.模型属性命令（MODEL-PROPERTY COMMANDS）
模型属性命令支持数值模型的创建与修改，主要包括表1所示的命令，这些命令可分为模型创建（或删除）和模型修改两大类
BALL生成一个新颗粒；
CLUMP生成一个新块体，或修改已有块体的属性；
DELETE 删除球、壁面、块体或历史（HISTORIES）；
GENERATE在特定空间内生成一组颗粒，其大小按指定方式分布；
JSET以给某个接触分配一个“接点”ID号的方式生成一组“接点”；
WALL生成一个新壁面或修改已有壁面的属性（包括修改物性和外加速度）；
FIX为颗粒设置固定速度标记
FREE清除颗粒的固定速度标记
MODEL在指定“接触”上使用用户自定义接触模型；
PROPERTY修改已有颗粒（ball）、接点（joint）、粘结（bond）和接触（contact）的属性。球的属性包括物性、外加力和速度等；使用区域元素（range element）
JSET，用户可以修改特定接点附件的颗粒属性；对于“粘结”，接触粘结
和平行粘结都可以被创建并修改其属性；对于“接触”，PROPERTY用于
修改用户自定接触模型的修改。同义命令：CHANGE、INITIALIZE。1.1模型创建命令：
WALL keyword…
WALL命令有两个功能，生成一个新的壁面，或按指定的ID号修改已有壁面的属性参数。WALL不能使用RANGE逻辑，即不能给一个壁面的不同部分赋不同的属性参数。壁面只与球有相互作用，壁面之间没有相互作用，因此壁面可以相互重叠。壁面有两侧，有效侧（active side）与非有效侧（inactive side），只有与有效侧接触的球，才与壁面有相互作用。关于有效侧的定义，见附录1。
每个壁面都可以设置平移速度与转动速度。使用Theory and Background中的1.28公式，可更新构成壁面的每个顶点的位置，从而得到壁面的运动情况。应当注意的是，转动速度的设定还与壁面转动中心有关，默认情况下，转动中心在坐标原点(0.0, 0.0, 0.0）。
两类壁面可以定义：（1）无限大壁面：由关键词origin和normal定义的一个无限大平面；（2）有限壁面：圆柱形或由一组凸面多边形组成，使用关键词face定义。
A.无限大壁面（infinite wall）:无限壁面由关键词normal和origin定义，前者定义
壁面的单位法向向量，所指向的一侧是壁面的有效侧；后者定义壁面上的任意一点。
no rmal nx, ny, nz
无限壁面单位法向向量的分量；
or igin x0, y0, z0
无限壁面上任意一点的坐标；
B.圆柱壁面（cylinder）:使用关键词type cylinder可以定义圆柱壁面，也可定义圆锥、
圆台壁面等回旋壁面。
type cylinder keyword…
end1x1, y1, z1
回旋面的第一个端点；
end2x2, y2, z2
回旋面的第二个端点；
rad ius rl, ru
rl: 端点end1处的回旋半径；
ru: 端点end2处的回旋半径；
type cylinder的几点说明：
1)end1, end2至多只能缺省一个，缺省时对应的参数都为0；
2)rl和end1对应，ru和end2对应；
3)rad ius值决定了回旋壁面的类型：
i.rl = ru，对应圆柱壁面；
ii.rl = 0.0，对应圆锥壁面；
iii.rl ≠ru，对应圆台壁面；
例如：
Wall type cylinder end1 0 0 0, end2 0 0 1, radius 0.5,0.5, id=1, kn=1e6, ks=1e6, fric=0.2 ;生产半径为0.5的圆柱面；
Wall type cylinder end1 0 0 0, end2 0 0 1, radius 0.0,0.5, id=1, kn=1e6, ks=1e6, fric=0.2 ;生产地面半径为0.5的圆锥面；
Wall type cylinder end1 0 0 0, end2 0 0 1, radius 0.2,0.5, id=1, kn=1e6, ks=1e6, fric=0.2 ;生产上底面半径0.2，下底面半径为0.5的圆台面；
C.螺旋壁面（spiral）:使用关键词type spiral可以生产螺旋壁面。
type spiral keyword…
end1x1, y1, z1
螺旋面的第一个端点；
end2x2, y2, z2
螺旋面的第二个端点；
rad in rin
rin: 螺旋面的内径；
rad out rout
rout: 螺旋面的外径；
pi tch pt
pt: 螺距。
说明：螺纹的个数由end1,end2之间的距离除以pitch得到的整数决定。如ed1-end2=10,pitch=3，则螺纹数等于3个。
例如：
Wall type spiral end1 0 0 0, end2 10 0 0, radius 0.5,1.0, pitch=1, id=1, kn=1e6, ks=1e6, fric=0.2 ;生产10个螺纹的螺旋面；
D.凸面多边形壁面（convex polygons）：使用关键词face可以构造由若干有限平面
（face）组成的有限壁面（wall），每个平面（face）必须是由一组按顺序连接的顶点（vertices）组成的多边形（polygon）；有限壁面的有效侧按右手法则确定，详见附录1。
fa ce x1, y1, z1 x2, y2, z2 …xn, yn, zn
x1, y1, z1 x2, y2, z2 …xn, yn, zn为平面多边形的顶点坐标，它们
的位置顺序代表着顶点的连接顺序，决定了有效侧的位置。
使用具有相同ID号的WALL命令，可以在已有壁面上增加若干多边
形平面，如下列命令定义了一系列有限壁面：
wall id=1 face (1,1,1) (1,0,1) (6,0,1) (6,1,1)
wall id=2 face (6,0,1) (6,0,6) (6,1,6) (6,1,1)
wall id=3 face (1,0,6) (1,1,6) (6,1,6) (6,0,6)
wall id=4 face (1,1,1) (1,1,6) (1,0,6) (1,0,1)
wall id=5 face (2,1,2) (5,1,2) (5,0,2) (2,0,2)
wall id=5 face (5,0,2) (5,1,2) (5,1,5) (5,0,5)
wall id=5 face (2,0,5) (5,0,5) (5,1,5) (2,1,5)
wall id=5 face (2,1,2) (2,0,2) (2,0,5) (2,1,5)
wall id=9 normal 0, 1,0 origin 3.5,0.0,3.5
wall id=10 normal 0,-1,0 origin 3.5,1.0,3.5
通过使用多个具有相同ID号（id=5）的WALL命令，定义了一个由4
个平面构成的凸面多边形壁面，如下图所示。
图1 face定义有限平面
警告：PFC3D软件现阶段只能生成有效的凸壁面，即有效侧夹角大于
180°的两个连接面（如图1中的id=5壁面）；对于凹形几何结构，不
能定义成一个壁面，必须通过连接不同的壁面得到。
E.WALL命令的其他关键词：以下关键词用于设置壁面的属性，如刚度系数、摩擦
系数、平移速度、旋转速度等。关键词的可以在命令中的任意位置出现。
id id
指定壁面的ID号，必须是正整数。如果不指定，则将选择比当前最大
壁面id号大1的整数。如果指定的id号已经存在，则对应壁面的属性
将被修改，如增加1个平面，或修改刚度系数、摩擦系数等。
kn kn
设定或修改壁面法向刚度系数（线性接触模型）；
ks ks
设定或修改壁面切向刚度系数（线性接触模型）；
f riction f
设定或修改壁面摩擦系数；
x x
设定转动中心（x坐标）；
y y
设定转动中心（y坐标）；
z z
设定转动中心（z坐标）；
xs pin xs
设定绕转动中心的转动速度（x分量）[单位：弧度/秒]；
ys pin ys
设定绕转动中心的转动速度（y分量）[单位：弧度/秒]；
zs pin zs
设定绕转动中心的转动速度（z分量）[单位：弧度/秒]；
xv elocity xv
设定平移速度（x分量）；
yv elocity yv
设定平移速度（y分量）；
zv elocity zv
设定平移速度（z分量）；
BALL rad r
生成半径为r的单个颗粒，可选择的关键词有：
her tz 启用Hertz接触模型，若不是用该可选关键词，则模型默认使用线性
接触模型
id id
设置颗粒的ID号。每个颗粒的ID号应为独一的正整数，如果模型内
有相同的ID号，则软件会报错。如果用户不设置颗粒ID号，软件将
自动指定比当前模型内最大ID号大1的号码。
x x
球心的x坐标
y y
球心的y坐标
z z
球心的z坐标
GE NERATE
n o_shadow 禁止在非阴影区内生成颗粒（见附录二）；默认情况下，颗粒
会在壁面的有效侧与非有效侧生成。
t ries tmax
PFC3D默认尝试20,000次，以将指定数量的待生成颗粒置于
指定空间。该命令将尝试的次数设为tmax次，需注意的是，
这个值只对当前Generate命令有效，并不是将模型内所有
Generate命令的尝试次数都设为tmax。
f ilter fname
使用用户自定义的颗粒生成过滤器（user-defined generation
filter）。在生成每个球的每一次尝试中，名为fname的FISH
函数被调用，详见说明9和附录4。
g auss 颗粒半径服从高斯概率分布，而不是默认的均匀概率分布。此
时，平均半径为(rl + ru) / 2，标准偏差为(ru - rl) / 2；其中rl , ru
为关键词radius定义的参数。
h ertz 新生颗粒使用Hertz接触模型。若无该关键词，则使用默认的
线性接触模型。
l ocal 该关键词只在并行计算过程起作用，用于强制性地只在本地处
理器上生成颗粒，而不在处理器之间共享信息。
m in rmin
该关键词只在使用了g auss关键词的情况下起作用，用于将高
斯概率分布中的最小球半径设为rmin。默认情况下，高斯概
率分布中的最小球半径为rl / 10。
说明：
1.BALL和GENERATE是用于生成新球的两个命令，他们之间有很大区别：
a)BALL是在用户指定的一个特定位置，生成一个新球；新球的生成不受已有球的影响，
允许与其他球有任意大的重叠；由于球之间允许重叠，当循环计算开始时，球之间会
突然产生大小相应于重叠量的作用力；
b)GENERATE是在用户指定的一个空间区域内，生成指定数量的新球；新球的生成受
已有球的影响，因为球与球之间不允许有重叠；因此用GENERATE命令能否在指定空间生成指定数量的球，还取决于空间是否足够大，或生成球过程中的尝试次数（tries）是否足够多等；
c)BALL命令一般用于生成规则排列球组（Regular particle assembly），GENERATE用于生成
非规则排列球组(Irregular particle assemble)；
2.Generate命令必须指定球的生成空间范围、半径大小分布形式和ID号范围（确定球的数
量）。球的位置与半径随机选择，因此最终生成的颗粒组的状态（位置和大小）受随机数发生器（Random number generator）的影响。SET random1命令用于设置随机数发生器的状态，详见脚注1；
3.关键词x xl xu y yl yu z zl zu用于定义指定空间，新生球的质心x，y，z坐标值分别处于区间
[xl, xu]，[yl, yu]和[zl,zu]之内。若使用可选关键词annulus，则颗粒的生成空间为一球环形空间，其球心为(xc, yc, zc)，内外球径分别为r1, r2；此时定义方形空间的x, y, z关键词可以省略，否则，指定的空间为annulus定义的球环形空间与x, y, z定义的方形空间的交集；X,y,z 与annulus等关键词只能定义简单的方形与球环形空间，而实际问题大多数涉及较复杂的空间。此时最有效的方法是使用用户自定义FISH函数进一步限制球的生成空间，见关键词filter的说明；
4.球径大小由关键词rad ius定义，默认情况下，球径大小在区间[rl, ru]之内，且服从均匀概
率分布2（uniform distribution），也可使用关键词gauss指定球径大小服从高斯概率分布；
5.关键词id il iu指定了需要生成多少数量的球。生成球的总数量为iu-il+1，其中iu, il为球ID
号的最大值与最小值；
1SET random
该命令用于设置随机数发生器的随机种子iseed。
我们知道，计算机只能生成相对随机数（伪随机数），伪随机数的计算取决于随机算法和随机种子的选取，当算法和种子确定后，产生的随机数就确定了；种子和算法相同时，产生的随机数也相同。
PFC3D软件中随机算法是不变的，因此随机数的生成完全取决于用户设定的随机种子的大小，即iseed的值。
iseed的默认值等于10000，用户可以自定义随机种子，其大小应和默认值在同一量级；
三点必须明确：
1.如果用户没有使用SET random
时/计数器在内存中的记数值。这种情况下，同一个模型每次运行时的随机数都不同，Generate生成的球组初始状态（球的大小和位置）每次也不同；
2.如果用户使用了SET random
随机种子意味着对于同一个模型而言，无论运行多少次，由Generate命令生成的初始球组的状态是一样的；
3.随机种子的设置只与有无SET random
2均匀概率分布的数学概念：
设连续型随机变量X的分布函数为
F(x)=(x-a)/(b-a),a≤x≤b
则称随机变量X服从[a,b]上的均匀概率分布,记为X~U[a,b].若[x1,x2]是[a,b]的任一子区间,则P{x1≤x≤x2}=(x2-x1)/(b-a)这表明X落在[a,b]的子区间内的概率只与子区间长度有关,而与子区间位置无关,因此X落在[a,b]的长度相等的子区间内的可能性是相等的,所谓的均匀指的就是这种等可能性.
在实际问题中,当我们无法区分在区间[a,b]内取值的随机变量X取不同值的可能性有何不同时,我们就可以假定X服从[a,b]上的均匀概率分布.
6.Generate生成球时，新球与已有球之间不允许相互重叠，因此，当没有足够的空间（或尝
试的次数不足，见关键词tries）生成所有指定数量的球时，将生成少于所需数量的球。软件默认这种情况为发生错误，不过也可以使用SET gen_error命令将这种情况当作警告处理（软件提示警告信息，但是指令处理过程继续进行）；颗粒生成以后，紧随其后应使用PROPERTY命令设置球的属性参数，包括法向刚度、切向刚度、局部阻尼、密度、摩擦系数，Hertz模型下的弹性模量、泊松比等。
7.t ries tmax的说明：Generate命令生成的球与球之间不允许重叠，用Generate命令生成新球的
过程是不断尝试的过程；每次尝试先按指定的分布形式确定球径大小，并随机（伪随机）确定一个球心位置，再检测该位置周围是否有足够空间生成该球；若空间足够，新球生成，否则进行下一次尝试。软件默认尝试20,000次，当所需新生球数量较多时，必须使用t ries tmax命令，设置更大的尝试次数，否则即使有足够的空间，也不能生成所需数量的球。
8.f ilter fname：该关键词的作用是引用用户自定义颗粒生成过滤器（generation filter），fname是
用户自定义FISH函数名，生成每个试产球(trial ball)时都将被调用。在函数fname里，试产球的半径通过fc_arg(0)传递，位置坐标的x, y, z分量分别通过fc_arg(1), fc_arg(2), fc_arg(3)传递。要使试产球被接受（即其符合过滤条件），函数中fname的值设为0，否则fname的值设为1。关于f ilter fname的更详细说，见附录4。
DEL ETE keyword…
删除球(balls)、块(clumps)、历史(histories)或壁面(walls)等，命令的形式取决于
要删除的对象。相关关键词及其参数如下：
b alls
删除球。如果指定id号，仅删除对应的1个球；如果指定一个范
围(range)，则处于该范围内的球（即质心处于该范围之内的球）
都将被删除；如果既不指定id号，也不指定范围，则模型中的所
有球都将被删除。
利用FISH函数，我们能更灵活地按照所希望的方式删除一些对
象，比如删除一些超出指定范围的球。User’s Guide中的例 3.21
介绍了每经100个循环，删除位置低于某一高度的球。关于FISH
语言，将在另一部分给予介绍。
Example 3.21 FISH function to delete escaping particles
;fname: zapballs.DAT
def remove_balls
while_stepping
y_del_count = y_del_count + 1
if y_del_count > 100
y_del_count = 0
bp = ball_head
loop while bp # null
next = b_next(bp)
if b_y(bp) < y_del
ii = b_delete(bp)
end_if
bp = next
end_loop
end_if
end
c lump id
删除ID为id的块，不可指定范围(range)参数。删除块只是解散组
成块体的球，并不删除这些球。
h istories 删除所有历史记录(history traces)。另外，也可以用HISTORY reset
命令擦除所有历史记录的内容。
w alls id
删除ID号为id的壁面，不可指定范围（range）参数。
CL UMP keywords…
创建ID号为id的新块，若指定的id已经存在，则其功能为修改ID为id的块
体的属性。
……
……
……
J SET ……
……
1.2模型修改命令：
FI X keyword…
固定某一范围(range)内球的指定速度自由度，若不指定范围(range)，该命令将
应用于模型中的所有球。应当注意的是，固定的是“速度”而不是位移。当速
度的某一分量被固定时，其速度将保持当前值不变，即每个循环中运动方程不
会更新速度分量。速度值可使用PROPERTY命令设置。
以下关键词可使用：
x固定x方向线速度；
y固定y方向线速度；
z固定z方向线速度；
xs pin 固定x方向角速度；
ys pin 固定y方向角速度；
zs pin 固定z方向角速度；
例如，下列命令行将把ID为5的球的x方向线速度固定为1.5m/s。
fix x range id = 5;
property xvel = 1.5 range id=5;
FR EE keyword…
FR EE是与FI X相反的命令，其功能是移除对某一范围（range）内的球在速
度自由度上的固化, 若不指定范围，该命令将应用于模型中的所有球。当某速
度分量自由化（be free）后，其大小变化将由每个循环过程的运动方程决定。
默认情况下，所有球的所有分量都是自由变化的。
以下关键可用于该命令：
x释放x方向线速度(frees x-velocity)；
y释放y方向线速度；
z释放z方向线速度；
xs pin 释放x方向角速度；
ys pin 释放y方向角速度；
zs pin 释放z方向角速度；
PRO PERTY keyword v
(contacts)的属性，包括球的物性、外加力和速度；修改连接到某个接点的球的
属性；修改接触粘结和平行粘结的属性。对于接触，PROPERTY只能修改用
户自定义接触模型的接触属性。若没有指定范围，则模型中所有有效对象的属
性都将被修改。
命令CHANGE和INITIALIZE是PROPERTY的同义命令，具有相同的功能。
以下关键词可用于修改PROPERTY命令的功能：
a dd v
修改处于指定范围内的所有对象的参数值，使其在当前值的基础
上加上设定值v得到新的值。例如，给所有球的半径加0.1的命令
是：PROPERTY radius add 0.1。
g radient gx, gy, gz
该关键词的作用是有梯度地设定参数值，
即将对象的的参数值设为：。这里关键词
gradient应紧随v值之后设定，(x, y, z)为对象的位置坐标。如果还使用了关
键词multiply，则由gradient设定梯度(gx, gy, gz)也将用于乘数值的设定。mu ltiply v
将指定范围内的对象的参数值乘以v得到新的参数值，注意是乘
以v而不是将参数值设定为v。例如命令:PROPERTY radius
multiply 1.5的作用是将所有球的半径扩大1.5倍，若此时某球的
半径等于2.0m，则应用该命令后其半径为3.0m。
PROPERTY命令的关键词可分为以下三类：修改球属性、修改接触粘结属性(contact-bond properties)和修改平行粘结属性(parallel-bond properties)。在必要之处，属性参数的单位在方括号内给予了说明。
球属性：
ra dius 球的半径
de nsity 密度[质量/体积]
co lor 设置颜色标号(index)。球的颜色标号必须是一个非零整数，标号等于0对应于plot命令给球设定的一系列颜色中的第一个
颜色。例如命令：PLOT add ball red blue orange black设置
了4种颜色的球，其中颜色编号0对应red(红色)，编号1对
应blue，依此类推。此时命令PROPERTY color 2的作用就是
把所有球的颜色设为orange(橙色)。
kn法向刚度系数(线性接触模型) [力/位移];
ks切向刚度系数(线性接触模型) [力/位移];
da mping 局部阻尼系数。PFC3D软件默认对于每个新生成的球使用局部阻尼，默认的局部阻尼系数等于0.7，用户可以通过关键词
damping修改局部阻尼系数。
f riction 球表面摩擦系数（注意，不是摩擦角）；
po iss 泊松比（Hertz接触模型）；
sh ear 剪切模量（Hertz接触模型）；
xf orce 作用于球质心的x方向的外加力(applied force)；
yf orce 作用于球质心的y方向的外加力(applied force)；
zf orce 作用于球质心的z方向的外加力(applied force);
xd isplacement x方向累积位移[距离, distance]；
yd isplacement y方向累积位移[距离, distance]；
zd isplacement z方向的累积位移[距离, distance]；
xv elocity x方向速度[距离/时间，distance/time]；
yv elocity y方向速度[距离/时间，distance/time]；
zv elocity z方向速度[距离/时间，distance/time]；
xs pin x方向角速度[弧度/时间]；
ys pin y方向角速度[弧度/时间]；
zs pin z方向角速度[弧度/时间]；
xm oment x方向外加力矩[力*距离]；
ym oment y方向外加力矩[力*距离]；
zm oment z方向外加力矩[力*距离]；
接触粘结属性(Contact-bond properties)：
创建球与球之间的接触粘结是通过把任意一个接触粘结属性参数设为非零值实现的。此时，程序会在指定范围内的所有真实接触（两球之间有实际重叠量）和虚拟接触（两球间距小于其平均半径的10-6）上设置接触粘结。
如果法向或切向接触粘结力被设为0，那么该接触粘结将在下一个循环中断裂。手册Theory and background中的2.3.1节对接触粘结逻辑(contact-bond logic)有详细叙述。
n_b ond 法向接触粘结力(contact bond normal strength)[力(force)];
s_b ond 切向接触粘结力(contact bond shear strength) [力(force)]；
平行粘结属性(Parallel-bond properties)：
类似与接触粘结，创建球与球之间的平行粘结是通过把任意一个平行粘结属性参数设为非零值实现的。此时，程序会在指定范围内的所有真实接触（两球之间有实际重叠量）和虚拟接触（两球间距小于其平均半径的10-6）上设置接触粘结。
如果法向或切向平行粘结力被设为0，那么该平行粘结将在下一个循环中断裂。手册Theory and background中的2.3.2节对平行粘结逻辑(parallel-bond logic)有详细叙述。
pb_kn 平行粘结法向刚度系数[应力/位移(stress/displacement)];
pb_ks 平行粘结切向刚度系数[应力/位移(stress/displacement)];
pb_n strength 法向平行粘结力[应力(stress)];
pb_s strength 切向平行粘结力[应力(stress)];
pb_r adius 半径乘数(radius multiplier)，由此平行粘结的半径等于该乘
数乘以两个粘结球中的最小半径。
注意：
1.如果使用了用户自定义的接触模型，则其属性参数也是通过PROPERTY
命令对模型中定义的属性名赋值来设置的。详见手册FISH volume中的第
4节。
2.关键词radius的简写不可短于“rad”，否则将被识别为“range”
2.程序控制命令（PROGRAM-CONTROL COMMANDS）
程序控制命令用于支持程序的批处理模式(batch mode)运行，并允许用户修改程序状态。这类命令列于表2。
CYCLE执行指定数量的循环计算（同义词：STEP）；
SLOVE持续循环计算直到达到指定的停止条件；
CALL将数据文件读入PFC3D软件并执行其中的命令，这就是所谓的批处理
模式；
RETURN从批处理模式(batch mode)返回命令交互模式(interactive-command
mode)；如果嵌套了多层调用，则返回上一层的调用文件。
PAUSE暂停读入数据文件，与CONTINUE命令对应；
CONTINUE继续读入数据文件，与PAUSE命令对应；
NEW清除程序状态，开始一个新的模型计算；
PARALLEL控制并行处理程序的运行；
QUIT停止程序运行（同义词：STOP）；
SA VE将程序当前状态存入文件，与RESTORE命令对应；
RESTORE还原存储文件(SA VE d file)中的程序状态，与SA VE命令对应；
TITLE设置模型标题，该标题会在绘图中显示并记录在存储文件中。
CY CLE n
执行n个时步的循环计算。如果运行期间按下
完当前循环步数后返回命令交互模式；如果按下
行完当前循环步数后调用下一个批处理文件（如果有的话）。
例如，命令CYCL 10000意为执行10000步循环计算，如果用户在第5000步
的时候按下了
果在5000步时按下
下一层批处理文件，则程序将停止运行，并返回命令交互模式。同义词：STEP SO LVE
启动并持续循环计算，直到达到指定的停止条件。默认情况下，当最大或平均
不平衡力比达到1*10-2时，则认为得到稳定状态解。以下关键词用于定义该
命令的停止条件（注意：达到任意一个停止条件时，循环计算都将停止）。
a verage v
平均不平衡力与平均接触力的比值，默认v = 0.01。平均不平
衡力为：所有不平衡力分量绝对值的总和在所有球上的平均
值；平均接触力：所有法向力接触力绝对值的总和在所有法向
力接触力不为零的接触点上的平均。
m aximum v
所有球中的最大不平衡力与最大接触力的比值，默认v = 0.01。
最大不平衡力：不平衡力矢量任何一个分量的最大值。对于任
意一个球而言，其不平衡力分量都有一个最大值F unmax，所有
球中最大的F unmax (记为max(F unmax))，就是maximum命令中所
谓的所有球中的最大不平衡力。
最大接触力：所有具有非零法向力的“接触(contact)”中（不
考虑平行粘结），法向接触力绝对值的最大值。
c ycles n
循环步数限定条件，默认n = 100,000步；
s teps s
关键词cycles的同义词；
c lock t
计算机运行时间限定条件，默认t = 1440分钟；
t ime t
累计问题时间（即所有时步的和）限制条件，默认t = 360,000
秒。
说明：问题时间(Problem-time)与计算机运行时间(Computer runtime)
PFC3D模型都是用于模拟一个实际物理问题。对于一个PFC3D模型而言，都
具有两个时间概念，即问题时间(problem-time)和计算机运行时间(computer
runtime)。前者是实际物理时间，也就是所有时间步长的总和；后者是计算机
模拟该问题所花的计算时间，这与时间步长的大小、计算的硬件性能等相关，
时步越大、计算机性能越好，所花运行时间越短。
例如用PFC3D模拟一个5m高的自由落体运动，从运动开始到结束，问题时
间( problem-time )约为1s。而对于计算机而言，其模拟自由落体运动必须分为
若干个时间步长来计算，每个时步中必须进行查找接触、更新数据、绘图、保
存数据等操作，因此计算机的运行时间(computer runtime)必然比问题时间更
长。
我们常说DEM方法耗时太长，指的就是计算机的运行时间太长。对于一个实
际物理问题，其问题时间由物理原则决定，模拟过程不能改变；而对于计算机
运行时间则可以想方设法缩短，比如选择大小合适的时步、使用高性能计算机、
并行计算等。
CA LL
CALL命令用于批处理模式(batch mode)，作用是调用名为fname的数据文件。
如果没有指定文件名，则默认调用“PFC3D.DAT”；如果没有指定fname的扩
展名，则扩展名默认为“.DAT”。
数据文件中可以有任意多的注释行（分号“;”用于注释），PFC3D不会运行这
些注释信息。一个数据文件内可以按顺序嵌套调用其他数据文件，对嵌套的层
数没有限制，但是不允许文件之间的递归调用。例如，“ABC”文件中调用了
“DEF”文件，而“DEF”中同时又调用了“ABC”文件，这种情况是不允许
的。
如果只有一层调用，用RETURN命令可从批处理模式返回命令交互模式；如
果是多层嵌套调用（即在一个数据文件中调用了另一个数据文件），则（被调
用文件中）RETURN的作用为返回上一层数据文件中（调用文件中）CALL
命令的下一行。如果按下
件，都将结束批处理运行模式并返回命令交互模式；如果按下
格键），
用户可以在数据文件中插入PAUSE命令，该命令会暂停程序的运行，允许用
户检查中间结果是否正确。使用CONTINUE命令可以继续运行被暂停程序。RETURN如果只有一层调用，用RETURN命令可从批处理模式返回命令交互模式；如果是多层嵌套调用（即在一个数据文件中调用了另一个数据文件），则（被调
用文件中）RETURN的作用为返回上一层数据文件中（调用文件中）CALL
命令的下一行。无论用户是否在数据文件的最后一行写上RETURN命令，每
个数据文件的最后一行，都默认有RETURN命令。
RETURN命令也用于从一个FISH函数的COMMAND section跳出。PAUSE
用于暂停运行数据文件，该命令能以下列3种方式中的一种调用：
1)如果没有指定任何关键词，则PFC3D将在遇到PAUSE命令的地方停止运
行数据文件，并进入命令交互模式，此时用户可以通过键盘输入命令控制
程序（如敲入PLOT ball命令绘制球的图像）。当敲入CONTINUE命令
时，PFC3D将恢复运行数据文件；
2)如果指定了关键词
行数据文件，并等待用户按下一个按键。当用户按下任意一个按键（
键除外）时，PFC3D将恢复运行数据文件。如果按下
异常中断所有运行（包括已经暂停的任何数据文件的运行）并进入命令交
互模式。
3)如果指定了关键词
运行。如果按下
已暂停的任何数据文件的运行）并进入命令交互模式(interactive-command
mode)；如果按下
NEW清除大部分程序状态信息，从而允许用户不用退出PFC3D软件就能开始一个新问题的模拟。对于每个启动命令，都将调用(或参考？consult)“PFC3D.INI”
文件。
命令NEW可以清除程序的大部分状态信息，如球、壁面、接触、粘结等对象
都将被删除，不会影响下个新问题的模拟。但是以下3个状态信息不受命令
NEW的影响：日志文件(log-file)、反馈模式(echo mode)和随机数发生器的种
子(即随机种子，random-number generator seed)[参见命令SET {log, echo,
random}]。日志文件仍然打开（如果已经打开的话），日志文件名和反馈模式
的开关状态不会被命令NEW改变，而且随机种子不会因为使用命令NEW而
重置。除此之外，所有其他的程序状态信息（包括所有FISH函数和变量、历
史记录[histories]、表格以及绘图等）都将丢失！不过这些信息都可以通过SA VE
命令保存到文件内，以后使用RESTORE命令恢复。另外，也可以编写FISH
函数将数据保存到一个文件内，并通过另一个FISH函数读出这些数据，详见
FISH volume中的2.5.1.6节：Input-Output Functions
PAR ALLEL keyword…
控制并行处理程序的运行以及拓扑连接的初始说明(controls parallel-processing
program operation and the initial specification of the connection topology)。并行处
理功能是作为PFC3D软件的一个可选功能供用户选用的，Theory and
background中5.2.3节有关于并行处理的详细介绍。
该命令可应用以下关键词：
e nd 当主处理器收到该命令时，所有进程都将归复独立运行模式。
m aster mname
从属进程(slaves)使用该命令将网络中名为mname的进程指定
为他们的主进程(master process)。
n umprocess n
主进程使用该命令指定参与并行运行的总进程数。
p rocess pn
每个进程都需使用该命令给自己分配一个编号。pn必须在{0,
n-1}之间，其中n为总进程数，编号0特指主进程。
s tart 对主进程而言，该命令将所有从键盘或文件输入PFC3D的本
地输入(local input)发送到所有从属进程，包括主进程本身。对
从属进程而言，该命令将禁止键盘提示(keyboard prompt)，并
指示PFC3D接收从主进程发送的所有输入信息。FISH语言的
并行化以及并行环境下FISH衍生命令的解释，在Theory and
Background中的5.2.6节有讨论。一些其他命令也使得进程间
的通信处于一个更低的水平（详见Theory and background中
5.3节）。
Start命令假设在其之前已经运行了process，numprocess和
master等命令，即start命令必须在这些命令运行之后才有效。
以下是对并行化运行的注解，更多注解和例子请参考Theory and Background
中第5节。
1)如果有n个处理器，编号为0, 1, …, n-1，每个处理器对应于一个空间区域，
那么0号则对应“最左侧”区域（least x range横坐标x最小的区域），依
此类推，相应地n-1号处理器对应于“最右侧”区域（most positive x range
横坐标x最大的区域）。
0号处理器
2)
QUIT停止程序运行（同义词：STOP）；
SA VE将程序当前状态存入文件，与RESTORE命令对应；
RESTORE还原存储文件(SA VE d file)中的程序状态，与SA VE命令对应；
TITLE设置模型标题，该标题会在绘图中显示并记录在存储文件中。
3.模型监控命令（MODEL MONITORING COMMANDS）
模型监控命令用于监控模型的响应，主要包括以下命令
PLOT命令
PLOT keyword
PLOT命令用于在屏幕上绘图或将图导出到硬拷贝绘图设备（如打印机、PDF）或文件（如导出位图、JPG等文件）里。绘图逻辑（PLOTTING LOGIC）的建立是基于“视图（VIEW）”的概念。一个视图包含视图设置参数（如视图的背景、尺寸等）和实际需要绘制的项目（如模型平面model surface，向量等），在没有建立任何模型的时候，绘图逻辑会将视图列表初始化为标识号（viewid）为0，名字为“BASE”的唯一视图。打开PFC3D软件时，在VIEWS菜单栏下可以看到名为“1 0\BASE”选项条，这就是绘图逻辑初始化的视图，点击“show”，我们
用户可以创建并储存多个视图，并可以在视图之间切换以定义“活动视图（active view）”。Viewid可以是一个代表视图ID号的整数，也可以是一个表示视图名字的字符串（如默认视图的标识号0\BASE中，0为该视图的ID号，BASE是该视图的名字）。使用关键词create可以创造一个视图，使用关键词current可以激活一个视图，关键词print可以查看视图列表。
每个视图存储了一系列“绘图选项（plot items）”，即视图能显示的一些特定图片选项（例如模型图和速度矢量图等）。使用add关键词可以将绘图选项添加到视图里，subtract用于删除绘图选项，modify用于修改
绘图选项，move可以重新组织绘图选项。当使用了show关键词时，所有添加到视图里的选项都会显示在屏幕上。使用print item可以得到与特定视图相关的所有绘图选项的列表。
绘图操作命令可归为以下4类：
●视图操作——定义视图属性和输出条件的关键词；
●视图设置操作——设置视图的背景和前景颜色、视图位置、视图说明和视图名称的关键词；
●绘图选项操作——用于在视图内创建（即添加、删除、修改等操作）视图选项的关键词；
●交互式操作——在图形屏幕模式下，使用一些特定键击，用户可与PFC3D进行交互式操作。
表1.7列出了前三类关键词，表1.8列出了第四类提到的相关键击。
表1.7 PLOT操作关键词汇总
无桥P F C电路说明文稿归稿存档编号：[KKUY-KKIO69-OTM243-OLUI129-G00I-FDQS58-
氮化镓 (GaN)技术由于其出色的开关特性和不断提升的品质，近期逐渐得到了电力转换应 用的青睐。具有低寄生电容和零反向恢复的安全GaN可实现更高的开关频率和效率，从而 为全新应用和拓扑选项打开了大门。连续传导模式 (CCM)图腾柱PFC就是一个得益于GaN 优点的拓扑。与通常使用的双升压无桥PFC拓扑相比，CCM图腾柱无桥PFC能够使半导体 开关和升压电感器的数量减半，同时又能将峰值效率推升到95%以上。本文分析了AC交叉区域内出现电流尖峰的根本原因，并给出了相应的解决方案。一个750W图腾柱PFC原型 机被构造成具有集成栅极驱动器的安全GaN，并且展示出性能方面的提升。 关键字—GaN；PFC；图腾柱；数字控制 I.?简介 当按下智能手机上的一个按钮时，这个手机会触发一个巨大的通信网络，并且连接到数千 英里之外的数据中心。承载通信数据时的功耗是不可见的，而又大大超过了人们的想象。 世界信息通信技术 (ICT) 生态系统的总体功耗正在接近全球发电量的10% [1]。单单一个数据中心，比如说位于北卡罗来纳州的脸谱公司的数据中心，耗电量即达到40MW。另外还有两个位于美国内华达州和中国重庆的200MW数据中心正在建设当中。随着数据存储和通 信网络的快速增长，持续运行电力系统的效率变得越来越重要。现在比以前任何时候都需 要对效率进行空前的改进与提升。 几乎所有ICT生态系统的能耗都转换自AC。AC输入首先被整流，然后被升压至一个预稳 压电平。下游的DC/DC转换器将电压转换为一个隔离式48V或24V电压，作为电信无线系 统的电源，以及存储器和处理器的内核电压。随着MOSFET技术的兴起和发展，电力转换 效率在过去三十年间得到大幅提升。自2007年生效以来，Energy Star（能源之星）80 PLUS效率评价技术规范 [2] 将针对AC/DC整流器的效率等级从黄金级增加到更高的白金级，并且不断提高到钛金级。然而，由于MOSFET的性能限制，以及与钛金级效率要求有 关的重大设计挑战，效率的改进与提升正在变慢。为了达到96%的钛金级峰值效率，对于 高压线路来说，功率因数校正 (PFC) 电路效率的预算效率应该达到98.5%及以上，对于低压电路，这个值应该不低于96.4%。发展前景最好的拓扑是无桥PFC电路，它没有全波AC 整流器桥，并因此降低了相关的传导损耗。[3] 对于不同无桥PFC的性能评价进行了很好 的总结。这个性能评价的前提是，所使用的有源开关器件为MOSFET或IGBT。大多数钛金 级AC/DC整流器设计使用图6中所示的拓扑 [3]，由两个电路升压组成。每个升压电路在 满功率下额定运行，不过只在一半AC线路周期内运行，而在另外周期内处于空闲状态。 这样的话，PFC转换器以材料和功率密度为代价实现了一个比较高的效率值 [4]。通常情 况下，由于MOSFET体二极管的缓慢反向恢复，一个图腾柱PFC无法在连续传导模式 (CCM) 下高效运行。然而，它能够在电压开关为零 (ZVS) 的变换模式下实现出色的效率值。数 篇论文中已经提到，PFC效率可以达到98.5%-99%。对于高功率应用来说，多个图腾柱升 压电路可以交错在一起，以提高功率水平，并且减少输入电流纹波。然而，这个方法的缺 点就是控制复杂，并且驱动器和零电流检测电路的成本较高。此外，因此而增加的功率组 件数量会产生一个低功率密度设计。因此，这个简单的图腾柱电路需要高效运行在CCM 下，以实现高功率区域，并且在轻负载时切换至具有ZVS的TM。通过使用这个方法，可以同时实现高效率和高功率密度。作为一款新兴半导体开关，氮化镓 (GaN) FET正在逐渐走向成熟，并且使此类应用成为可能。Transphorm公司已经在APEC 2013上展示了一款峰值效率达到99%的基于GaN的图腾柱CCM PFC [9]。[10-12] 还介绍了GaN器件出色的开关 特性，以及应用优势。为了更好地理解GaN特性，并且进一步解决应用中存在的顾虑，特 别是开关频率和交叉电流尖峰问题，这篇文章讨论了：II. GaN技术概述、III. 图腾柱CCM PFC控制、IV. 实验和V. 结论。 II. GaN技术概述
(PFC)电路成为人们注意的焦点。设计人员去掉了转换器输入端的常规桥式整流电路,可以减少开关损耗,进一步提高效率。在这样的电路中,不存在由于导通损耗而降低效率的问题,且设计比较简单,需要的元件数量较少。 1没有使用桥式整流电路的电路 2 OCC PFC控制电路
3 常规电路和无桥式整流的电路的效率 PFC电路有一些难点。如图所示,电路的输入端没有二极管组成的桥式整流电路,而是在交流输入边有个升压电感器。在这个电路中,输出和输入并无直接的连接,于是就存在输入电压的感测、电流的感测和电磁干扰噪音等问题。特别是,由于升压电感器放在交流输入这边,因此很难感测作为输入的电网交流电压和电感器上的电流。 1所示的没有使用桥式电路的整流器的工作原理。升压电感器分成两半,形成升压电路。输出电路由个晶体管和个二极管组成。在交流电网电压的每一个半周中,其中一个起有源开关的作用,而另一个就起二极管的简单作用。在这对晶体管中,处于工作状态的那个晶体管,与一个二极管和输入电感器一起,组成升压转换器。输入电流由升压转换器来控制,随着输入电压而变化。 (OCC)方法 PFC电路,最常用的是平均电流控制和峰值电流控制,它们都是使用模拟乘法器的技术。最近,设计人员开始探讨其他的技术,其中包括单周控制的方法,如图所示。 OCC控制方法就很有优势。使用输出电压和电感器中的电流峰值来计算前后衔接的每个周期的占空比,所以,在使用方法时,需要的所有信息是从直流母线电压和电流那里得到的,不需要感测交流电网的电压,从而最大限度地提高了功率因数。而且,占空比控制着升压电路输入和输出之间的关系,电感器中的电流峰值可以自动地跟随输入电压的波形,这样就实现了功率因数校正的功能。由于所有必要的信息都是从电感器中的电流峰值和电压输出那里得到的,因此不需要感测输入电压。 (EMI)的特性一般与功率级的结构有关。对于常规的,输出的地总是通过桥式整流器与输入电网相连,引起共模噪音的唯一寄生电容是晶体管的漏极与地之间的寄生电容。对于不使用桥式整流的电路,其输出相对于作为输入的交流电网来讲是浮动的,这样就有几个寄生参数会引起晶体管漏极和地之间的共模噪音,以及地与输出端之间的共模噪音。在这种情况下,共模噪音比常规电路的共模噪音更加严重。为了解决这个问题,可以在不使用桥式整流的电路中增加两只电容器,在输入交流电网与输出电压的地之间形成一个高频通路。
这里有六种无桥PFC, 分别是: 标准无桥PFC 这种PFC在正负半周的时候, 两个管子一个续流一个充当高频开关 这种拓扑的优点是使用功率元件比较少, 两个管子可以一起驱动, 这简化了驱动电路的设计, 同时让直接使用传统APFC的控制芯片成为可能. 但它同时存在几个问题, 电流流向复杂而且不共地, 电流采样困难, 有较大的共模干扰因此输入滤波器要仔细设计 针对头一个问题, ST公司和IR公司的一些应用文档中已经比较详细的介绍了两种比较可行的采用互感器的方法 双Boost无桥PFC 这种拓扑由标准无桥PFC改良而来, 增加了D3和D4作为低频电流的回路, S1和S2只作为高频开关而不参与低频续流 同标准无桥PFC, S1和S2能同时驱动, 而在两个低频二极管D3和D4之后插入取样电阻又可以像普通PFC简单地传感电流 同时这种拓扑具有更低的工模电流 但是这种拓扑必须使用两个电感, 电流流向有不确定性, 低频二极管和mos的体二极管可能同时导通, 增加了不稳定因素
双向开关无桥PFC S1和S2组成了双向开关, 他们可以同时驱动, 采用电流互感器可以很容易的检测电流, D1和D3为超快恢复二极管, D2和D4可以采用低频二极管 缺点在于整个电路的电势相对于大地都在剧烈变化, 会产生比标准无桥PFC更严重的EMC问题, 输出电压无法直接采样, 需要隔离采样(使用光耦, 但是会增加复杂度) 图腾柱PFC 由标准无桥PFC演化而来, 但是原理稍微改变 D1和D2为低频二极管, S1和S2的体二极管提供高频整流开关作用 这种电路具有较低的EMI, 使用元件较少, 设计可以很紧凑 但是S1和S2需要使用不同的驱动信号, 工频周期不同信号也不一样, 增加了控制的复杂性, S2不容易驱动(可以尝试IR2110等自举驱动芯片) S1和S2如果采用mos, mos的体二极管恢复较慢(通常数百ns)会产生较大的电流倒灌脉冲, 引起很大的损耗, 足以抵消无桥低损耗的优势 S1和S2如果采用IGBT, 虽然其体二极管的性能没问题, 但是其导通压降比较大, 也会产生很高的损耗, 尤其是在低电压输入的情况下 现在有一些国外公司在研制GaN和SiC高性能开关管, 开关速度极快, 没有体二极管反向恢复问题, 这些技术尚在研发中, 现在是在市场上见不到这些产品的. 如果未来这些高性能器件能大规模普及, 图腾柱PFC将有机会成为最流行最高效
无桥PFC方案，99%以上效率
PFC + LLC 原理图 效率99.4% Totem-pole PFC, bridgeless PFC Totem pole PFC, Totem pole boost
1000W 无桥PFC方案 2400W 无桥PFC方案
TPH3006PS TPH3206PS TPH3002PS TPH3202PS TPH3205WS TPH3206LD TPH3202LD
PFC的演变史
1， 传统的，整流流桥+单极PFC
功率不能太大。受限于整流桥的VF及MOSFET的开关损耗。低效
AC
2，传统的大功率方案。采用交错式PFC，
AC
采用两个电感，两个MOSFET，体积加大，功率提升但效率不高。
3，采用无桥PFC，但使用的是硅MOSFET，双电感。
由于硅MOSFET体内寄生二极管太慢Trr及MOSFET的开关损耗较大Qgd 有关。同时必须采用碳化硅二极管（价高） 双电感，体积依然大，硅MOSFET工作在高频损耗太大。
4，采用氮化镓MOSFET，无桥，只需一个电感。
利用氮化镓体内无二极管但有二极管特性特点，及氮化镓低低的开关损 耗特性。很容易实现大功率的无桥PFC，只需一个电感，同时无需用碳 化硅二极管。成本/体积上大大优化。
硅无桥PFC与氮化镓无桥PFC的区别
? ? 传统用的无桥需要2MOSFET，2电感，2碳化硅 二极管（D1,D2)才能实现高效率 采用氮化镓的图腾无桥PFC只要一个电感，2个 氮化镓MOS,另D1,D2可以用二极管也可以从等 同内阻的硅MOSFET以实现更高效率 就现阶段氮化镓无桥的方案已比传统的低了 （传统的会用上两个高碳货硅二极管及多用一 个电感） 同时因氮化镓适合高频。采用氮化镓高频化的 无桥PFC后，体积大大变小，综合成本更有优 势/效率依然很高
?
传统Dual‐boost无桥PFCPFC
?
此设计是利用氮化镓体内二极管超低的 反向恢复特性来实现高效低成本。
氮化镓的图腾无桥 PFC
PFC是一种解决传统AC整流电路引起的电网污染问题的电路.常规整流滤波电路的整流桥只有在输入正弦波电压接近峰值时才会导通,因此导致了输入电流程严重非正弦性,导致输入产生了大量谐波电流成份,降低了电网的利用率同时有潜在的干扰其他电器的可能.PFC电路通过对输入AC电流进行'整形',使输入电流为近似和输入电压同相位的正弦波,达到了输入功率接近1的可能. 常用的PFC电路均为Boost升压拓扑,根据Boost拓扑在不同工作模式(DCM\BCM\CCM)下的特性不同,控制方法可以分为3种。BCM和CCM采用的较多,BCM为变频控制,可以实现零电压开启(降低开通损耗),但是较高的开关管有效电流限制了它只能在中小功率的场合,大功率场合是CCM的天下。 对于CCM的PFC,主要问题是二极管的反向恢复问题,在反向恢复期间产生的大反向电流会产生额外的损耗还有潜在干扰电路的风险.具体可以通过增加RC电路(有损)或者ZVT技术(无损,但是比较复杂)进行解决,这里暂时不进行讨论。由于PFC通常被设计成宽电压输入模式(85-265V输入)，在低输入电压时输入电流会比较大,当输出功率比较大时,各功率器件尤其是输入整流桥的电流压力和散热压力尤为明显.如下图 当开关管开通时,电流会经过2个低速整流二极管,1个mos管,当开关管关闭的时候,电流会经过2个低速整流管和1个快恢复二极管。对于110V情况下输出1500W的PFC来说,整流桥损耗可达30W左右,是一个相当可观的数字，如果能通过改进拓扑取消掉整流桥,将会极大的提高效率.改进的电路如下图,它在每个正周期内和负周期内等效为1个普通的Boost拓扑:
氮化镓 (GaN)技术由于其出色的开关特性和不断提升的品质，近期逐渐得到了电力转换应用的青睐。具有低寄生电容和零反向恢复的安全GaN可实现更高的开关频率和效率，从而为全新应用和拓扑选项打开了 大门。连续传导模式 (CCM)图腾柱PFC就是一个得益于GaN优点的拓扑。与通常使用的双升压无桥 PFC拓扑相比，CCM图腾柱无桥PFC能够使半导体开关和升压电感器的数量减半，同时又能将峰值效率推升到95%以上。本文分析了AC交叉区域内出现电流尖峰的根本原因，并给出了相应的解决方案。一个750W图腾柱PFC原型机被构造成具有集成栅极驱动器的安全GaN，并且展示出性能方面的提升。 关键字—GaN；PFC；图腾柱；数字控制 I.?简介 当按下智能手机上的一个按钮时，这个手机会触发一个巨大的通信网络，并且连接到数千英里之外的数据中心。承载通信数据时的功耗是不可见的，而又大大超过了人们的想象。世界信息通信技术 (ICT) 生态系 统的总体功耗正在接近全球发电量的10% [1]。单单一个数据中心，比如说位于北卡罗来纳州的脸谱公司 的数据中心，耗电量即达到40MW。另外还有两个位于美国内华达州和中国重庆的200MW数据中心正在建设当中。随着数据存储和通信网络的快速增长，持续运行电力系统的效率变得越来越重要。现在比以前任何时候都需要对效率进行空前的改进与提升。 几乎所有ICT生态系统的能耗都转换自AC。AC输入首先被整流，然后被升压至一个预稳压电平。下游的DC/DC转换器将电压转换为一个隔离式48V或24V电压，作为电信无线系统的电源，以及存储器和处理 器的内核电压。随着MOSFET技术的兴起和发展，电力转换效率在过去三十年间得到大幅提升。自2007年生效以来，Energy Star（能源之星）80 PLUS效率评价技术规范 [2] 将针对AC/DC整流器的效率等级 从黄金级增加到更高的白金级，并且不断提高到钛金级。然而，由于MOSFET的性能限制，以及与钛金 级效率要求有关的重大设计挑战，效率的改进与提升正在变慢。为了达到96%的钛金级峰值效率，对于高压线路来说，功率因数校正 (PFC) 电路效率的预算效率应该达到98.5%及以上，对于低压电路，这个值应该不低于96.4%。发展前景最好的拓扑是无桥PFC电路，它没有全波AC整流器桥，并因此降低了相关的传导损耗。[3] 对于不同无桥PFC的性能评价进行了很好的总结。这个性能评价的前提是，所使用的有源 开关器件为MOSFET或IGBT。大多数钛金级AC/DC整流器设计使用图6中所示的拓扑 [3]，由两个电路升压组成。每个升压电路在满功率下额定运行，不过只在一半AC线路周期内运行，而在另外周期内处于 空闲状态。这样的话，PFC转换器以材料和功率密度为代价实现了一个比较高的效率值[4]。通常情况下，由于MOSFET体二极管的缓慢反向恢复，一个图腾柱PFC无法在连续传导模式 (CCM) 下高效运行。然而，它能够在电压开关为零 (ZVS) 的变换模式下实现出色的效率值。数篇论文中已经提到，PFC效率可以达到98.5%-99%。对于高功率应用来说，多个图腾柱升压电路可以交错在一起，以提高功率水平，并且减少输入电流纹波。然而，这个方法的缺点就是控制复杂，并且驱动器和零电流检测电路的成本较高。此外，因此而增加的功率组件数量会产生一个低功率密度设计。因此，这个简单的图腾柱电路需要高效运行在CCM下，以实现高功率区域，并且在轻负载时切换至具有ZVS的TM。通过使用这个方法，可以同时实 现高效率和高功率密度。作为一款新兴半导体开关，氮化镓 (GaN) FET正在逐渐走向成熟，并且使此类应用成为可能。Transphorm公司已经在APEC 2013上展示了一款峰值效率达到99%的基于GaN的图腾柱CCM PFC [9]。[10-12] 还介绍了GaN器件出色的开关特性，以及应用优势。为了更好地理解GaN特性，
无桥PFC的优势及解决方案 无桥PFC 的优势及解决方案 传统有源PFC 中，交流输入经过EMI 滤波后会经过二极管桥整流器，但在整流过程中存在功率耗散，其中既包括前端整流桥中两个二极管导通压降 带来的损耗，也包括升压转换器中功率开关管或续流二极管的导通损耗。据测算，在低压市电应用(@90 Vrms)中，二极管桥会浪费大约2%的能效。有鉴于此，近年来业界提出了无桥PFC 拓扑结构。实际上，如果去掉二极管整流桥，由此带来的能效提升效果很明显。这种PFC 电路采用1 只电感、两只功率MOSFET 和两只快恢复二极管组成。对于工频交流输入的正负半周期而言，这种无桥升压电路可以等效为两个电源电压相反的升压电路的组合。其中左边 的蓝色方框是PH1 为高电平、MOSFET 开关管M2 关闭时的开关单元，右边的橙色方框是PH2 为高电平、MOSFET 开关管M1 关闭时的开关单元。当PH1 为高电平、PH2 为低电平时，电路工作在正半周期，这时M2 相当于体二极管(body diode)，PH2 通过M2 接地;而当PH1 为低电平、PH2 为高电平时，电路工作在负半周期，这时M1 相当于体二极管，PH1 通过M1 接地。 图：传统的无桥PFC 结构示意图。 相对于传统PFC 段而言，这种无桥PFC 节省了由二极管整流桥导致的 损耗，但不工作MOSFET 的体二极管传递线圈电流。最终，这种结构消除了 线路电流通道中一个二极管的压降，提升了能效。但实际上，这种架构也存在 几处不便，因为交流线路电压不像传统PFC 那样对地参考，而是相对于PFC 段接地而浮动，这就需要特定的PFC 控制器来感测交流输入电压，而这种结构中的简单电路并不能完成这项任务。这种架构也不能方便地监测线圈电流。此
无桥Boost PFC电路的EMI分析（转） 默认分类2010-01-15 12:09:51 阅读250 评论1 字号：大中小订阅 摘要：系统地介绍了目前出现的无桥Boost PFC主电路结构，对它们各自导通路径﹑EMI进行了对比分析。采用两种比较有代表性的无桥拓扑作为主电路结构，控制电路采用单周控制芯片IR1150，设计了试验样机，并对两种PFC电路的EMI进行了 测试分析。 关键词：功率因数校正（PFC ：Power Factor Correction）无桥EMI 1 引言 目前，功率因数校正一直在朝着效率高﹑结构简单﹑控制容易实现﹑减小EMI等方向发展，所以无桥Boost PFC电路[1]作 为一种提高效率的有效方式越来越受到人们的关注。 无桥Boost PFC电路省略了传统Boost PFC电路的整流桥，在任一时刻都比传统Boost PFC电路少导通一个二极管，所以降低了导通损耗，效率得到很大提高，本文就常见的几种无桥Boost PFC电路[2]进行了对比分析，并且对两种比较有代表性的无 桥电路进行了实验验证和EMI测试分析。 2 开关变换器电路的传导EMI分析 电磁干扰(EMI)可分为传导干扰和辐射干扰两种，当开关变换器电路的谐波电平在高频段(频率范围30 MHz以上)时，表现为辐射干扰，而当开关变换器电路的谐波电平在低频段(频率范围0.15～30 MHz)表现为传导干扰，所以开关变换器电路中主要是传导干扰。传导干扰电流按照其流动路径可以分为两类：一类是差模干扰电流,另一类是共模干扰电流。 以图1所示的Boost电路为例对开关变换器电路的EMI进行分析，该电路整流时产生的脉动电流给电路系统引入了大量的谐波，虽然在整流输出侧有一个电解电容C能滤除一些谐波，但是由于电解电容有较大的等效串联电感和等效串联电阻，所以电解电容不可能完全吸收这些谐波电流，有相当一部分谐波电流要与电解电容的等效串联电感和等效串联电阻相互作用，形成差模电流Idm返回交流电源侧，差模电流的传播路径如图1中带箭头的实线所示。开关管的高频通断产生很高的d v/d t，它与功率管和散热器之间的寄生电容Cp相互作用形成共模电流Icm，此共模电流通过散热器到达地，地线的共模电流又通过寄生电容Cg1和Cg2耦合到交流侧的相线和中线，从而形成共模电流回路，共模电流的传播路径如图1中带箭头的虚线所示。 图1 开关变换器的传导EMI传播路径 在主电路参数完全相同的情况下，各种常见无桥Boost PFC电路中形成的差模电流是相同的。而不同的是因开关管的位置以及二极管加入等原因造成的共模电流。所以本文主要分析的的是各种电路结构中共模干扰的情况，各点的寄生电容大小以各点到输入侧零线之间的电位变化大小和频率变化快慢来代替分析[3]。 3 常见无桥Boost PFC电路介绍 最基本的无桥PFC主电路结构如图2所示，由两个快恢复二极管（D1、D2）、两个开关管（S1、S2）电感（L1、L2）等组