經(jīng)典PFC電感設(shè)計(jì)

PFC電感計(jì)算南京航空航天大學(xué)周潔敏jieminzh@2/3/20231Longman引言PFC校正功率因數(shù)校正即PFC是十幾年電源技術(shù)進(jìn)步的重大領(lǐng)域，它的基本原理是：（1）電源輸入電流實(shí)現(xiàn)正弦波，正弦化就是要使其諧波為零，電流失真因數(shù)THD=1。（2）保證電流相位與輸入電壓相位同相位，相移因數(shù)1。（3）最終實(shí)現(xiàn)PF=1的設(shè)計(jì)工作目標(biāo)。2/3/20232LongmanAC/DC整流電路中電流波形電路中功率因數(shù)定義：二極管的非線性特性引起。2/3/20233Longman諧波電流對(duì)電網(wǎng)的危害THD-TotalHarmonicDistortion小知識(shí)(1)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染（2）造成諧波壓降（3）正弦電壓波形畸變（4）產(chǎn)生電路故障，變電設(shè)備損壞。諧波的危害2/3/20234Longman名詞術(shù)語(yǔ)與PFC校正任務(wù)

同相位：電流與電壓相位相同，PF=1?？傊C波失真率功率因數(shù)與失真度的關(guān)系功率因數(shù)校正的任務(wù)與目的正弦化：電流失真因數(shù)THD=1。2/3/20235LongmanPFC校正電路的選擇一般以Boost電路和反激式電路為討論對(duì)象，前者常用于電流連續(xù)和臨界連續(xù)工作方式，后者用于斷續(xù)模式，由于時(shí)間關(guān)系只討論Boost電路電感的計(jì)算與設(shè)計(jì)。PFC校正電路有buckboostFlybackSEPICCuk2/3/20236LongmanBoostPFC控制模式BoostPFC控制模式連續(xù)模式（CCM）臨界模式（CRM,BCM）斷續(xù)模式（DCM）CCM(ContinuousCurrentMode)BCM(BoundaryConductionMode)CRM(CriticalConductionMode)DCM(DiscontinuousCurrentMode)小知識(shí)2/3/20237LongmanBoost電路的PFC控制模式——CCMCCM基本特征（3）平均電流控制常用的控制方法可變化:滯環(huán)電流控制峰值電流控制開(kāi)關(guān)頻率適用場(chǎng)合大功率場(chǎng)合可恒定（平均電流控制）（1）峰值電流控制（2）滯環(huán)電流控制2/3/20238LongmanPFC的控制方法:CCM的控制方法峰值電流控制滯環(huán)控制方法平均電流控制2/3/20239LongmanBOOSTPFC控制模式——CRM開(kāi)關(guān)頻率可變，峰值處最低CRM（BCM）特點(diǎn)可獲得單位功率因數(shù)1適用中小功率場(chǎng)合導(dǎo)通時(shí)間固定電感電感電流始終處于CRM模式2/3/202310LongmanBOOSTPFC控制模式——DCMDCM特點(diǎn)1、占空比近似不變時(shí)電感電流的峰值與輸入電壓成正比。2、輸入電流波形自然跟隨輸入電壓波形3、代價(jià)：功率管峰值電流大。2/3/202311Longman討論的內(nèi)容一、連續(xù)模式的電感設(shè)計(jì)二、臨界連續(xù)模式電感設(shè)計(jì)2/3/202312Longman1、確定輸出電壓CCM的電感設(shè)計(jì)（Uin

±Δ%）輸入220V，50Hz，變化范圍是額定值的20%(Δ=20)輸出電壓高于輸入最高電壓的峰值。輸出電壓一般是輸入最高峰值電壓的1.05~1.1倍。最高峰值電壓2/3/202313Longman2、確定最大輸入電流CCM的電感設(shè)計(jì)最大電流發(fā)生在輸入電壓最低，輸出功率最大時(shí)。設(shè)計(jì)要點(diǎn)電感在最大電流時(shí)避免飽和最大輸入電流式中三個(gè)參數(shù)2/3/202314Longman3、確定工作頻率CCM的電感設(shè)計(jì)功率器件效率輸出功率等級(jí)工作頻率例如輸出功率1500W功率管為MOSFET開(kāi)關(guān)頻率70~100kHz2/3/202315Longman4.確定最低輸入電壓峰值時(shí)的最大占空度根據(jù)Boost電路的公式最大占空度輸入電壓最小峰值輸出電壓U0太低，在最高輸入電壓峰值時(shí)占空度非常小，由于功率開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)時(shí)間限制，可能輸入電流不能跟蹤輸入電壓，造成THD加大。

2/3/202316Longman5、求需要的電感量CCM的電感設(shè)計(jì)跟蹤的是輸入電流平均值電感中電流波形一般情況下：電感中的紋波電流等于峰值電流的20%。2/3/202317Longman5、求需要的電感量CCM的電感設(shè)計(jì)另外兩種控制方法也類似。2/3/202318Longman5、求需要的電感量CCM的電感設(shè)計(jì)定義電感紋波電流與峰值電流的比例系數(shù)取即2/3/202319Longman6、利用AP法選擇磁芯尺寸CCM模式電感設(shè)計(jì)小知識(shí)AP法選擇磁芯:(2)求窗口面積Aw(1)求磁芯有效截面積Ae查表選磁芯型號(hào)求磁芯有效截面積Ae其中2/3/202320Longman6、利用AP法選擇磁芯尺寸連續(xù)模式的電感設(shè)計(jì)（C）最大輸入電流不飽和損耗與溫度的關(guān)系B的選擇確定磁芯的工作情況前，先研究Boost電感特點(diǎn)：（A）直流分量很大（B）磁芯損耗小于銅損耗2/3/202321Longman6、利用AP法選擇磁芯尺寸連續(xù)模式的電感設(shè)計(jì)N匝導(dǎo)線的面積窗口系數(shù)磁芯窗口面積Aw求窗口面積AwA=area電流密度2/3/202322Longman6、利用AP法選擇磁芯尺寸連續(xù)模式的電感設(shè)計(jì)<B/(1+k)保證任何情況下磁芯不飽和使用。2/3/202323Longman7、計(jì)算匝數(shù)上述就是以Boost電路PFC校正電路為例，在連續(xù)電流模式情況下的PFC電感計(jì)算。2/3/202324Longman二、臨界Boost電感設(shè)計(jì)2/3/202325Longman臨界連續(xù)特征CRM電感設(shè)計(jì)方法一CRM控制法（1）功率開(kāi)關(guān)零電流導(dǎo)通電感電流線性上升。（2）當(dāng)峰值電流達(dá)到跟蹤的參考電流（正弦波）時(shí)開(kāi)關(guān)關(guān)斷，電感電流線性下降到零。（3）開(kāi)關(guān)再次開(kāi)通。以峰值控制法為例說(shuō)明控制概念.2/3/202326Longman臨界連續(xù)特征CRM電感設(shè)計(jì)方法一為什么？2/3/202327Longman臨界連續(xù)特征CRM電感設(shè)計(jì)方法一因此選擇正弦交流輸入的峰值點(diǎn)設(shè)計(jì)，開(kāi)關(guān)頻率最小，正弦值等于1，所以得到電感的表達(dá)式。對(duì)于給定輸入電壓和負(fù)載，開(kāi)關(guān)頻率也是要隨著輸入交流電壓瞬時(shí)值的變化而變化的。2/3/202328Longman臨界連續(xù)特征CRM電感設(shè)計(jì)方法二方法二的理論依據(jù)：電感的導(dǎo)通伏秒應(yīng)當(dāng)?shù)扔诮刂箷r(shí)伏秒應(yīng)當(dāng)注意：輸出電壓Uo一定大于輸入電壓Ui，如果輸出電壓接近輸入電壓，在輸入電壓峰值附近，截止時(shí)間遠(yuǎn)大于導(dǎo)通時(shí)間，開(kāi)關(guān)周期很長(zhǎng)，即頻率很低。開(kāi)關(guān)周期2/3/202329Longman臨界連續(xù)特征CRM電感設(shè)計(jì)方法二符號(hào)定義輸入電壓高，導(dǎo)通時(shí)間短，輸入的電壓低，導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)2/3/202330Longman最大峰值電流CRM電感設(shè)計(jì)方法二最大輸入電流有效值電感中最大峰值電流2/3/202331Longman決定電感量CRM電感設(shè)計(jì)方法二（2）最高輸入電壓峰值時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率最低。假定最高輸入電壓峰值的開(kāi)關(guān)周期為50μs。電感選擇原則（1）開(kāi)關(guān)頻率應(yīng)在20kHz以上，避免噪音。2/3/202332Longman磁芯的選擇2/3/202333Longman選擇磁芯CRM電感設(shè)計(jì)方法磁芯選擇原則應(yīng)考慮最惡劣情況下磁芯不飽和最低電壓輸入峰值不飽和。最大為減少損耗，應(yīng)選擇飽和磁感應(yīng)的70%。最大磁通密度2/3/202334Longman選擇磁芯CRM電感設(shè)計(jì)整個(gè)窗口銅線的截面積用AP法選擇磁芯尺寸電感線圈圈數(shù)窗口系數(shù)單根導(dǎo)線面積2/3/202335Longman計(jì)算線圈匝數(shù)CRM電感設(shè)計(jì)

線圈導(dǎo)線截面積2/3/202336LongmanPFC的電感計(jì)算方法總結(jié)（1）弄清所選擇的控制方法一般來(lái)講連續(xù)模式有：峰值電流控制、平均電流控制和滯環(huán)控制等方法。此外還有電感電流臨界模式和斷續(xù)模式，可以參考相關(guān)書(shū)籍。（2）弄清輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)對(duì)電感設(shè)計(jì)的影響，尋找最惡劣條件的情況下，如果電感參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，那么在任何工作范圍內(nèi)電感設(shè)計(jì)滿足要求。（3）計(jì)算電感時(shí)應(yīng)密切關(guān)注電感上的電流變化，電感上電壓的變化及其變化的時(shí)間即伏秒面積。并遵循能量守恒下電感電流不能突變的原則分析。2/3/202337LongmanPFC的電感計(jì)算方法總結(jié)（5）利用AP法計(jì)算，選擇磁芯計(jì)算磁芯的有效磁芯面積和磁芯窗口面積，再查表選擇磁芯。初步設(shè)計(jì)后并核算窗口利用系數(shù)。（4）磁性材料設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意磁芯磁場(chǎng)的工作范圍，確保在整個(gè)工作時(shí)間內(nèi)磁感應(yīng)密度不飽和。并在考慮磁芯損耗、工作頻率和工作溫度等條件下選擇BS。2/3/202338LongmanPFC電感設(shè)計(jì)謝謝光臨，請(qǐng)批評(píng)指正！2/3/202339Longman附錄附錄1常規(guī)Boost電路工作的三種模式附錄2直流輸入與交流輸入模式比較附錄3例子說(shuō)明CRM電感設(shè)計(jì)附錄4例題CRM電感設(shè)計(jì)2/3/202340Longman附錄1：常規(guī)Boost電路工作的三種模式2/3/202341Longman附錄2：直流輸入與交流輸入模式比較三種電感電流模式CCMCRMDCMCCMDCMDRMPFC電感電流形狀2/3/202342Longman附錄3例子說(shuō)明CRM電感設(shè)計(jì)方法二假定導(dǎo)通時(shí)間為:Ton=10μs;輸入電壓最小峰值：1.414Uimin/Uo=0.65;根據(jù)Uo=Ui/(1-D)得D=0.35如果輸入電壓在±20%范圍變化;最低輸入電壓為220×0.8=176V;輸出電壓:Uo=1.414×220×0.8/0.65＝383V。周期為:T=Ton/D=10/0.35=28.57μs，頻率f=1/28.57μs=35kHz。2/3/202343Longman附錄3例子說(shuō)明CRM電感設(shè)計(jì)方法二在15°時(shí)，周期為12μs,相當(dāng)于開(kāi)關(guān)頻率為83kHz在最高輸入電壓時(shí)，得到最高電壓導(dǎo)通時(shí)間Tonh＝(0.8/1.2)2×TonL＝4.444μs，在峰值時(shí)的開(kāi)關(guān)周期為T(mén)＝Tonh/(1-1.414×1.2×220/383)＝176μs，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)頻率為5.66kHz。2/3/202344Longman如果將輸出電壓提高到410V(1)最低輸入電壓時(shí)開(kāi)關(guān)周期為25.45μs，開(kāi)關(guān)頻率為39.3kHz。(2)15°時(shí)為11.864μs,開(kāi)關(guān)周期為84.5kHz。(3)輸入最高電壓峰值時(shí)，周期為49.2μs,開(kāi)關(guān)頻率為20.3kHz。(4)頻率變化范圍大為減少。即使在輸入電壓過(guò)零處，截止時(shí)間趨近零，開(kāi)關(guān)頻率約為100kHz。最高頻率約為最低頻率只有5倍。而在383V輸出電壓時(shí)，卻為18倍。附錄3例子說(shuō)明CRM電感設(shè)計(jì)方法二2/3/202345Longman附錄3小結(jié)CRM電感設(shè)計(jì)方法二（1）提高輸出電壓，開(kāi)關(guān)頻率變化范圍小，有利于輸出濾波。（2）功率管和整流二極管要更高的電壓定額，導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗增加。（3）220V±20%交流輸入，一般選擇輸出電壓為410V左右。（4）110V±20%交流輸入，輸出電壓選擇210V。2/3/202346Longman附錄4例題CRM電感設(shè)計(jì)例：輸入220V±20%，輸出功率200W，采用臨界連續(xù)（CRM）,假定效率為0.95。解：輸入最大電流為峰值電流2/3/202347Longman附錄4例題CRM電感設(shè)計(jì)設(shè)輸出電壓為410V，最高輸入電壓時(shí)最低頻率為20kHz。即周期為50μs，因此，導(dǎo)通時(shí)間為輸入最低電壓峰值時(shí)的導(dǎo)通時(shí)間2/3/202348Longman附錄4例題CRM電感設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)周期為需要的電感量2/3/202349Longman附錄4例題CRM電感設(shè)計(jì)如果采