連續(xù)模式平均電流控制PFC電路設(shè)計計算書-IR1153S

連續(xù)模式平均電流控制PFC電路設(shè)計計算書,,,,,

,,,,,,

一、,輸入輸出電氣參數(shù),,,,

,輸入最低輸入工作電壓Vin_min_rms=,176,VAC,由于其他電壓會限流工作，暫不考慮,

,輸入額定輸入工作電壓Vin_nor_rms=,220,VAC,,

,輸入最高輸入工作電壓Vin_max_rms=,265,VAC,,

,PFC輸出電壓Vo=,380,V,,

,空調(diào)輸出功率Po_1=,1.5,PH,,

,計算空調(diào)最大輸出功率Po_2=735.5*Po_1,1103.25,W,1PH=735.5W,

,輸出過載能力n_a=,1.671,,將輸入功率調(diào)整到2KW,

,逆變效率η_invt=,95%,,,

,PFC輸出功率Pout=Po_2*n_a/η_invt,1940.558684,W,,

,PFC設(shè)計效率η_pre=,97%,,,

,PFC設(shè)計功率因數(shù)PF_pre=,100.00%,,,

,輸入電壓工作頻率最小值fp_min=,47,Hz,,

,輸入電壓工作頻率額定值fp_nor=,50,Hz,,

,輸入電壓工作頻率最大值fp_max=,53,Hz,,

,斷電保持時間Thold=,5,mS,變頻空調(diào)不要求，所以取值較小,

,PI的大小,3.1415926,,,

,,,,,,

二、,由輸入輸出參數(shù)計算其他已知參數(shù),,,這部分不能手動更改,

,計算輸入有功功率Pin=Pout/η_pre=,2000.575963,W,,

,計算輸入視在功率Pin_s=Pin/PF_pre=,2000.575963,VA,,

,計算最低輸入工作電壓下的峰值電壓Vin_min_pk=SQRT(2)*Vin_min_rms=,248.901587,V,,

,計算額定輸入工作電壓下的峰值電壓Vin_nor_pk=SQRT(2)*Vin_nor_rms=,311.1269837,V,,

,計算最高輸入工作電壓下的峰值電壓Vin_max_pk=SQRT(2)*Vin_max_rms=,374.766594,V,,

,計算最低輸入工作電壓下的電流有效值Iin_max_rms=Pin_s/Vin_min_rms=,11.36690888,A,該電流已經(jīng)接近電感承受電流的極限12A，電感為1205,

,計算額定輸入工作電壓下的電流有效值Iin_nor_rms=Pin_s/Vin_nor_rms=,9.093527105,A,,

,計算最高輸入工作電壓下的電流有效值Iin_min_rms=Pin_s/Vin_max_rms=,7.549343257,A,,

,計算最低輸入工作電壓下的峰值電流Iin_max_pk=SQRT(2)*Iin_max_rms=,16.0752367,A,MOS管按照此電流選擇，跟低的輸入電壓會限制電流,

,計算額定輸入工作電壓下的峰值電流Iin_nor_pk=SQRT(2)*Iin_nor_rms=,12.86018936,A,,

,計算最高輸入工作電壓下的峰值電流Iin_min_pk=SQRT(2)*Iin_min_rms=,10.67638362,A,,

,計算最低輸入工作電壓下的平均電流Iin_max_avg=2/3.1415926*SQRT(2)*Iin_max_rms=,10.2338137,A,,

,計算額定輸入工作電壓下的平均電流Iin_nor_avg=2/3.1415926*SQRT(2)*Iin_nor_rms=,8.187050964,A,,

,計算最高輸入工作電壓下的平均電流Iin_min_avg=2/3.1415926*SQRT(2)*Iin_min_rms=,6.796797026,A,,

,計算輸出電流Io=Pout/Vo=,5.10673338,A,,

,計算輸出電壓最小周期Tp_min=1/fp_max=,18.86792453,mS,,

,計算輸出電壓額定周期Tp_nor=1/fp_nor=,20,mS,,

,計算輸出電壓最大周期Tp_max==1/fp_min=,21.27659574,mS,,

,計算連續(xù)模式下最低輸入電壓峰值時占空比D_vin_min_pk=(Vo-Vin_min_pk)/Vo=,34.50%,,,

,計算連續(xù)模式下額定輸入電壓峰值時占空比D_vin_nor_pk=(Vo-Vin_nor_pk)/Vo=,18.12%,,,

,計算連續(xù)模式下最高輸入電壓峰值時占空比D_vin_max_pk=(Vo-Vin_max_pk)/Vo=,1.38%,,,

,,,,,,

三、,選擇PFC開關(guān)頻率,,,,

,選擇PFC開關(guān)頻率fs=,22.2,KHz,由我們使用的芯片IRF1153確定,

,計算PFC開關(guān)周期Ts=1/fs=,45.04504505,uS,,

,,,,,,

四、,PFC電感設(shè)計,,,,

,選擇紋波電流系數(shù)r_pre=,0.4,,由于電流分量對占空比影響很小，可近似認為單開關(guān)周期內(nèi)IL變化和=0，連續(xù)模式滿足D=(Vo-Vin)/Vo，于是△IL=Vin/L*(Vo-Vin)/Vo*Ts，當Vin=Vo/2時△IL取得最大值,

,只考慮輸入峰值電壓下的△IL，則在最小輸入電壓峰值時取得最大△IL,,,,

,于是計算需要的最小電感量Lmin_pre=Vin_min_pk/(r_pre*Iin_max_pk)*D_vin_min_pk*Ts=,0.601549211,mH,,

,由于開關(guān)頻率不高，從成本角度考慮選用硅鋼片做電感，但硅鋼片的高頻磁芯損耗很大，需要減小高頻△B，所已需要選擇更大電感量的電感來減小高頻損耗。目前沒有硅鋼片的資料，但鑒于公司有以前的研發(fā)經(jīng)驗及測試數(shù)據(jù)，選用電感的電感量L=,5,mH,電感有效電流為12A,1205

,,,,,,

五、,選擇整流橋,,,,

,計算整流橋的最大平均電流Ibrg_max_avg=Iin_max_avg=,10.2338137,A,,

,整流橋電流降額為0.6，選擇整流橋的最小平均電流Ibrg_min_sel=,17.05635617,A,,

,整流橋最大耐壓為輸入最大電壓的峰值電壓,374.766594,V,,

,選擇直流耐壓600V，電流大于20A的二極管滿足設(shè)計要求,,,,

,"實際選擇二極管為SHINDENGEN的D25XB60，其反向耐壓為600VDC,平均電流為25A",,,具有很強的過電流能力,

,二極管正向?qū)妷篤F_brg=,1.05,V,查表獲得正向壓降,

,計算整流橋的損耗Pbrg=2*VF_brg*Ibrg_max_avg=,21.49100878,W,2個二極管同時導通，4個交替工作,與查表的損耗比較一致

,,,,,,

六、,選擇主開關(guān)管,,,這部分設(shè)計需要繼續(xù)深入,

,主開關(guān)管的峰值電流Itr_pk=Iin_max_pk=,16.0752367,A,電感量很大，可不考慮紋波電流影響,

,主開關(guān)管耐壓為輸出電壓但考慮電路尖峰電壓的影響，耐壓選擇為600V,,,,

,"選擇主開關(guān)管為意法(st)半導體的STGW20NC60VD，其反向耐壓為600V,電流為30A，關(guān)斷SOA中500V的VCE能到20A以上電流",,,,

,查表計算IGBT的固定導通壓降VCE=,1,V,"IGBT導通等效為固定的VCE+Rce_ON,驅(qū)動取14V",

,查表計算IGBT的Rce_ON=,57.6,m?,取5A到15A的曲線，該估算會比實際高,

,查表得IGBT開通損耗Eon,220,uJ,Vce=390V，IC=20A，Rg=3.3?,

,查表得IGBT關(guān)斷損耗Eoff,330,uJ,Vce=390V，IC=20A，Rg=3.3?,

,最低輸入電壓下計算IGBT管電流有效值Iigbt_rms_max=,7.574278793,A,,

,最低輸入電壓下計算IGBT管電流平均值Iigbt_avg_max=,4.969140118,A,,

,最低輸入電壓下計算IGBT管導通損耗Pigbt_con_max=,8.273634794,w,VCE*平均電流+Rce_ON*有效電流平方,

,最低輸入電壓下計算IGBT開關(guān)損耗Pigbt_sw_max=,12.21,w,,

,最低輸入電壓下計算IGBT總損耗Pigbt=,20.48363479,W,,

,主開關(guān)管熱阻Rjc_IGBT,0.63,℃/W,,

,計算IGBT結(jié)到殼的溫升Tjc,12.90468992,℃,,

,查表得絕緣片及導熱硅脂的熱阻Rcr,0.3,℃/W,殼到散熱器的熱阻,

,計算殼到散熱器的溫升Tcr=,6.145090438,℃,,

,計算IGBT結(jié)到散熱器的溫升Tjr,19.04978036,℃,能根據(jù)散熱器的溫度判斷IGBT的溫度是否滿足設(shè)計要求,

,,,,,,

七、,選擇續(xù)流二極管,,,,

,續(xù)流二極管的最大電流Id_pk=Iin_max_pk=,16.0752367,A,,

,續(xù)流二極管的反向耐壓為輸出電壓，但考慮電路尖峰電壓的影響，耐壓選擇為600V,,,,

,"選擇續(xù)流二極管為ST公司的STTH30R06，其反向耐壓為600V,電流為30A",,,,

,查表計算二極管的導通電壓VF0=,0.75,V,按照Tj=125℃的最大值查表，實際損耗比該值高,

,查表計算二極管的導通等效電阻RakON=,75,m?,,

,最低輸入電壓下二極管電流有效值Idiode_rms_max=,8.475666244,A,,

,最低輸入電壓下二極管電流平均值Idiode_avg_max=,5.264673587,A,,

,計算二極管導通損耗Pdiode_con_max=,9.336274061,W,VF0*平均電流+Rak_ON*有效電流平方,

,查表計算二極管反向恢復時間Trr_diode=,50,nS,,

,查表計算二極管反向恢復電流Irr_diode=,12,A,,

,計算二極管反向恢復損耗Pdiode_rr=,2.5308,W,,

,計算二極管總損耗Pdiode=,11.86707406,W,,

,二極管結(jié)到殼的熱阻Rjc_d=,1,℃/W,,

,計算二極管結(jié)到殼的溫升Tjc_diode=,11.86707406,℃,,

,查表得絕緣片及導熱硅脂的熱阻Rcr_doide,0.3,℃/W,,

,計算殼到散熱器的溫升Tcr_diode=,3.560122218,℃,,

,計算IGBT結(jié)到散熱器的溫升Tjr_diode,15.42719628,℃,能根據(jù)散熱器的溫度判斷IGBT的溫度是否滿足設(shè)計要求,

,,,,,,

八、,選擇輸出電容,,,根據(jù)掉電保持及紋波電壓來選擇,

,選擇掉電保護的最低電壓Vo_min=,275,V,,

,計算滿足掉電維持時間的最小電容Co_hold_min,282.1604775,uF,,

,選擇母線紋波電壓峰峰值△Vo_pre=,30,V,,

,不考慮電感的存儲能量，計算需要的最小電容Co_△Vo_min=Pin/(2*3.1415926*fp_min*△Vo_pre*Vo)=,594.2544961,uF,,

,電容容差系數(shù)c_k=,20.00%,,,

,需要的母線電容最小值Co_min=,742.8181201,uF,,

,輸出電容的耐壓為輸出電壓，但考慮到輸出可能過壓的情況選擇2個NCC的450V/470uF電容EKMR451VSN471MA35S并聯(lián),,,,

,輸出電容實際容量Co=,940,uF,,

,計算實際輸出峰峰值紋波電壓△Vo=,18.96556902,V,,18.97148075

,假設(shè)輸出紋波電壓為正弦波，則計算電容的紋波電流有效值Ico_rms=△Vo*3.1415926*fp_min*Co=,2.632336794,A,純正弦電流，實際值肯定比該值大,3.8

,根據(jù)理論波形計算母線電容紋波電流有效值Ic_rms_fw=SQRT(Idiode_rms_max^2-Io^2)=,6.764480207,A,按照開關(guān)頻率嚴格求電流有效值，電容的電流能力也應(yīng)該按照高頻來查看,5.358

,"根據(jù)理論波形計算母線電容紋波電流有效值Ic_rms_2fac

=SQRT(3/8*(Iin_max_pk*Vin_min_pk/Vo)^2-Iin_max_pk*Vin_min_pk/Vo*Idiode_avg_max+Idiode_avg_max^2)=",3.722686394,,對單開關(guān)周期平均后求有效值，該值和工頻比較接近但大于工頻,3.8

,輸出電容的tanδ=,0.2,,,

,計算輸出電容的ESR=tanδ/(2*3.1415926*fp_min*Co)=,0.360242068,?,直接用總電容量計算可表示并聯(lián)后的ESR，該處使用兩倍輸入頻率,

,計算電容的損耗Pco=,2.496188258,W,,

,按照波形就算的有效值來計算損耗Pco_2fac=,4.992376515,W,,

,按照波形就算的有效值來計算損耗Pco_fw=,8.291346461,W,等效高頻阻抗后計算損耗,

,所選電容電容在105度及額定紋波電流下可使用2000小時，而使用的環(huán)境溫度不超過85度，電容溫度每減小5度，壽命加倍，則電容的實際壽命可達,32000,h,,

,假設(shè)空調(diào)每天工作10小時，電容可以使用,8.767123288,年,滿足設(shè)計要求,

,,,,,,

九、,控制電路設(shè)計,,,,

,1、選擇控制芯片IR1153S,,,,

,2、設(shè)計芯片的斷電保護,,,,

,選擇啟動電壓Vin_on_rms=,120,VAC,,

,選擇掉電關(guān)閉電壓Vin_off_rms=,100,VAC,,

,計算啟動電壓的峰值電壓Vin_on_pk=,169.7056275,V,,

,計算關(guān)閉電壓的有效值Vin_off_avg=,90.03163315,V,,

,啟動時BOP引腳電壓Vbop_on=,1.56,V,,

,關(guān)閉時BOP引腳電壓Vbop_off=,0.76,V,,

,根據(jù)推薦選擇Rbop_up=,6000,K?,,

,根據(jù)啟動電壓的峰值電壓計算Rbop_low=Vbop_on/((Vin_on_pk-Vbop_on)/Rbop_up)=,55.66603271,K?,實際PFC工作前可能已經(jīng)帶載，啟動電壓會偏高,

,計算Rbop_up損耗P_Rbop_up=Vin_max_pk^2/Rbop_up=,0.023408333,W,,

,計算Rbop_low損耗P_Rbop_low(Vin_max_pk/(Rbop_up+Rbop_low)*Rbop_low)^2/Rbop_low=,0.0002132,W,,

,由于損耗很小，可以選用0402以上封裝的電阻，但考慮到到0603及以下封裝的極限耐壓都小于50V，而Rbop_up需要耐壓為375V，故Rbop_up需要選用3個0805以上的封裝的電阻，實際選用3個2M/1206的電阻,,,,

,"Rbop_low應(yīng)該選用56K/0603或0805的電阻，實際原理圖中選擇了100K，實際啟動電壓為67VAC,即使考慮整流橋及前端電路的壓降，啟動電壓也太小，需要更改",,,,需要更改電路中的R69為56K

,計算關(guān)閉時BOP引腳的平均電壓Vbop_off_avg=Vin_off_avg/(Rbop_up+Rbop_low)*Rbop_low=,0.827605718,V,平均電壓一定要小于1.16，否則會來回啟動,

,計算關(guān)閉時BOP引腳的電壓波動△Vbop_off=2*(Vbop_off_avg-Vbop_off)=,0.135211436,V,,

,計算整流后電壓的角頻率ω=2*2*3.1415926*fp_nor=,628.31852,,,

,按照芯片推薦公式計算SQRT(1+ω/ω0)=SQRT(2)*Vin_off_rms*Rbop_low/(△Vbop_off*(Rbop_up+Rbop_low))=,9.614571331,,,

,計算Cbop_pre=(Rbop_up+Rbop_low)/(Rbop_up*Rbop_low)*SQRT(C98^2+1)/ω=,278.9375018,nF,,

,選擇Cbop=,330,nF,,需要更改電路中的C64為333

,實際關(guān)斷電壓會小于設(shè)計電壓，滿足要求,,,,

,3、計算輸出采樣電路,,,,

,反饋電壓VFB_nor=,5,V,,

,選擇Rvs_up=,880,K?,,

,計算Rvs_low_pre=VFB_nor/((Vo-VFB_nor)/Rvs_up)=,11.73333333,K?,,

,選擇Rvs_low=,12,K?,,

,計算實際輸出電壓Vo_fack=VFB_nor/Rvs_low*(Rvs_up+Rvs_low)=,371.6666667,V,,

,計算采樣電阻Rvs_up損耗Prvs_up=(Vo_fack-VFB_nor)^2/Rvs_up=,0.152777778,W,,

,計算采樣電阻Rvs_low損耗Prvs_low=,0.002083333,W,,

,Rvs_up選用4個1206封裝電阻，Rvs_low選擇0603封裝電阻，滿足設(shè)計要求,,,,

,4、計算過壓保護,,,,

,選擇過壓保護點Vovp_pre=,393.9666667,V,,

,過壓保護比較器基準電壓Vovp_ref=,5.3,V,,

,選擇過壓保護采樣電阻Rovp_up=,880,K?,,

,計算過壓保護采樣電阻Rovp_low_pre=Vovp_ref/((Vovp_pre-Vovp_ref)/Rovp_up)=,12,K?,,

,選擇過壓保護采樣電阻Rovp_low=,12,K?,,

,計算實際過壓保護電壓=Vovp=Vovp_ref/Rovp_low*(Rovp_low+Rovp_up)=,393.9666667,V,,

,計算Rovp_up損耗Provp_up=,0.171661111,W,,

,計算Rovp_low損耗Provp_low=(Vovp_ref)^2/Rovp_low=,0.002340833,W,,

,Rovp_up選用4個1206封裝電阻，Rovp_low選擇0603封裝電阻，滿足設(shè)計要求,,,,

,5、計算過流保護,,,需要仔細分析環(huán)路造成的限流保護,

,先計算芯片的軟限流保護（控制環(huán)路造成的限占空比）,,,,

,開環(huán)下COMP最低電壓Vcomp_free_min=,4.7,V,,

,由芯片的特性知，當輸入電壓小于175VAC后，環(huán)路的限流保護將比峰值限流先發(fā)生,,,芯片不適合做低于175VAC下的應(yīng)用,

,芯片峰值限流點電壓Vis_max,0.51,V,,

,考慮過電流系數(shù)ki,0.2,,,

,計算過流時的電流Iocp_pk=Iin_max_pk*(1+ki)=,19.29028404,A,,

,計算能提供此功率需要的最大采樣電阻Ris_max=Vis_max/Iocp_pk=,26.43817991,m?,,

,功率器件中允許的最大電流的最小值為Ipower_max_min=,30,A,查器件資料，注意電感的飽和電流,

,計算過流保護前功率器件不過流損耗需要的最小采樣電阻Ris_min=Vis_max/Ipower_max_min=,17,m?,,

,選擇采樣電阻Ris=,20,m?,正常,需要更改電路中的R18為20m?

,計算過流前的最大輸入電流有效值Iocp_rms=Vis_max/Ris/SQRT(2)=,18.03122292,A,,

,計算額定電壓下過流時的功率Povp_nor=Vin_nor_rms*Iocp_rms=,3966.869042,W,,

,計算采樣電阻額工作時的損耗Pris=,1.653844704,W,由于電阻溫度可能比較高，電阻需要抬高,

,采樣電阻選擇5W/20m?電阻滿足要求,,,,

,根據(jù)推薦選擇采樣電路濾波電阻Ris_f=,100,?,,

,根據(jù)推薦選擇采樣電路濾波電容Cis_f=,1,nF,,

,6、計算環(huán)路補償,,,該部分以調(diào)試為準,

,選擇軟啟動時間Tss=,300,mS,啟動時的電流軟啟動,

,芯片COMP引腳輸出電流Iss=,44,uA,,

,計算環(huán)路中的電容Cz_pre=Tss*Iss/Vcomp_free_min=,2.808510638,uF,,

,選擇軟啟動電容Cz=,2.2,uF,,

,計算實際軟啟動時間Tss_fact=Cz*Vcomp_free_min/Iss=,235,mS,,

,設(shè)置COMP在穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)中的允許變化量△Vcomp=,23.5,mV,一般取0.5%~1%Vcomp_free電壓,

,計算采樣電路的放大系數(shù)H_1=Rvs_low/(Rvs_low+Rvs_up)=,0.013452915,,,

,計算輸出電壓紋波折合到FB處的紋波△Vfb=△Vo*H_1=,255.1421842,mV,,

,計算誤差放大器需要的放大倍數(shù)H_2_pre=△Vcomp/△Vfb=,0.092105506,,,

,誤差放大器的跨導gm=,49,uS,,

,計算環(huán)路中的的電阻Rgm_pre=,1.714931877,K?,,

,選擇環(huán)路中的電阻Rgm=,1.5,K?,,需要更改電路中的R21為1.5k?

,選擇高頻極點fpo_fre=,3.171428571,KHz,一般取1/1~1/10開關(guān)頻率,

,計算環(huán)路中電容Cp_pre=1/(2*3.1415926*Rgm*fpo_fre)=,33.45599461,nF,,

,選擇環(huán)路中的電容Cp=,33,nF,,需要更改電路中的C51為33nF

,需要畫環(huán)路的bode圖，并計算穿越頻率和相角余量,,,,

,,,,,,

,7、選擇供電電壓,,,,

,"由于芯片的VCC具備欠壓保護功能，最大VCC_on=14V，最小VCC_off=9.4,選擇VCC=15V",,,,

,VCC濾波選擇47uF/25V鋁電解,,,25V/1uF或0.1uF的陶瓷可能更好,

,8、驅(qū)動電路設(shè)計,,,,

,由于工作頻率不高，根據(jù)公司以往經(jīng)驗驅(qū)動電阻選用100?，放電電阻選用20?,,,,

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