Boost功率电路的PFC计算.doc

PFC电感计算通常Boost功率电路的PFC有三种工作模式：连续、临界连续和断续模式。控制方式是输入电流跟踪输入电压。连续模式有峰值电流控制，平均电流控制和滞环控制等。连续模式的基本关系：1. 确定输出电压Uo输入电网电压一般都有一定的变化范围（Uin%），为了输入电流很好地跟踪输入电压，Boost级的输出电压应当高于输入最高电压的峰值，但因为功率耐压由输出电压决定，输出电压一般是输入最高峰值电压的1.051.1倍。例如，输入电压220V，50Hz交流电，变化范围是额定值的20%(=20)，最高峰值电压是2201.2=373.35V。输出电压可以选择390410V。2. 决定最大输入电流电感应当在最大电流时避免饱和。最大交流输入电流发生在输入电压最低，同时输出功率最大时 (1)其中：； 最低输入电压；Boost级效率，通常在95%以上。3. 决定工作频率由功率器件，效率和功率等级等因素决定。例如输出功率1.5kW，功率管为MOSFET，开关频率70100kHz。 4. 决定最低输入电压峰值时最大占空度因为连续模式Boost变换器输出Uo与输入Uin关系为，所以 (2)从上式可见，如果Uo选取较低，在最高输入电压峰值时对应的占空度非常小，由于功率开关的开关时间限制（否则降低开关频率），可能输入电流不能跟踪输入电压，造成输入电流的THD加大。5. 求需要的电感量为保证电流连续，Boost电感应当大于 (3)其中：,k=0.150.2。6. 利用AP法选择磁芯尺寸根据电磁感应定律，磁芯有效截面积 (4)如果电感是线性的，有 (5a)因为Boost电感直流分量很大，磁芯损耗小于铜损耗，饱和磁通密度限制最大值。为保证在最大输入电流时磁芯不饱和，应当有 (5b)磁芯窗口面积因此，面积乘积 (6)其中kw=0.30.5窗口填充系数，也称为窗口利用系数。BB/(1+k)。由此选择磁芯。输出功率在1kW以上，一般采用气隙磁芯。因环形磁粉芯价格高，且加工困难，成本高。但是气隙磁芯在气隙附近边缘磁通穿过线圈，造成附加损耗，这在工艺上应当注意的。7. 计算匝数 (7)8. 计算导线尺寸（略）临界连续Boost电感设计1. 临界连续特征Boost功率开关零电流导通，电感电流线性上升。当峰值电流达到跟踪的参考电流（正弦波）时开关关断，电感电流线性下降。当电感电流下降到零时，开关再次导通。如果完全跟踪正弦波，根据电磁感应定律有 即 (8)或 (9)其中：Ui、Ii为输入电压和电流有效值。在一定输入电压和输入功率时，Ton是常数。当输出功率和电感一定时，导通时间Ton与输入电压Ui的平方成反比。2. 确定输出电压电感的导通伏秒应当等于截止时伏秒： 则 (10)开关周期为 (11)可见，输出电压Uo一定大于输入电压Uip，如果输出电压接近输入电压，在输入电压峰值附近截止时间远大于导通时间，开关周期很长，即频率很低。如果首先决定最低输入电压（Uimin）对应的导通时间为TonL，最高输入电压(Uimax)的导通时间为 (12)根据式（11）和（12）可以得到开关周期（频率）与不同电压比的关系。例如，假定导通时间为10s，1.414Uimin/ Uo=0.65，如果输入电压在20%范围变化，最低输入电压为2200.8，输出电压为Uo =1.4142200.8/0.65383V。周期为10/0.35=28.57s，频率为35kHz。在15时，周期为12s,相当于开关频率为83kHz。在最高输入电压时，由式（12）得到最高电压导通时间Tonh(0.8/1.2)2TonL4.444s，在峰值时的开关周期为TTonh/(1-1.4141.2220/383)176s，相当于开关频率为5.66kHz。如果我们。输出电压提高到410V，最低输入电压时开关周期为25.45s，开关频率为39.3kHz。15时为11.864s,开关周期为84.5kHz。输入最高电压峰值时，周期为49.2s,开关频率为20.3kHz。频率变化范围大为减少。即使在输入电压过零处，截止时间趋近零，开关频率约为100kHz。最高频率约为最低频率只有5倍。而在383V输出电压时，却为18倍。 通过以上计算可以看到，提高输出电压，开关频率变化范围小，有利于输出滤波。但是功率管和整流二极管要更高的电压定额，导通损耗和开关损耗增加。因此，220V20%交流输入，一般选择输出电压为410V左右。110V20%交流输入，输出电压选择210V。3. 最大峰值电流最大输入电流 电感中最大峰值电流是峰值电流的1倍 （13）4. 决定电感量为避免音频噪声，在输入电压范围内，开关频率应在20kHz以上。从以上分析可知，在最高输入电压峰值时，开关频率最低。故假定在最高输入电压峰值的开关周期为50s.由式（11）求得 （14）由式（12）得到最低输入电压导通时间根据式（8）得到 （15）5. 选择磁芯因为导通时间随输入电压平方成反比，因此应当在最低电压下选择磁芯尺寸，只要在最低输入电压峰值时避免饱和。 （16）其中：N电感线圈匝数；Ae磁芯有效截面积；BmBs（100）最大磁通密度，为减少损耗，选择饱和磁感应的70%。整个窗口铜的截面积 或 （17）将式（17）代入（16），整理得到 （18）用AP法选择磁芯尺寸。6. 计算线圈匝数7. 线圈导线截面积 例：输入220V20%，输出功率200W，采用临界连续。假定效率为0.95.解：输入最大电流为 A峰值电流 A设输出电压为410V，最高输入电压时最低频率为20kHz。即周期为50s，因此，导通时间为 s输入最低电压峰值时的导通时间 s开关周期为 s因此，需要的电感量（式（15） mH如果采用磁粉芯，选用铁硅铝磁芯。LI2=1.483.38210-3=16.9mJ,选择77439。有效磁导率为60，其电感系数AL135nH，电感1.48mH需要的匝数为 匝 取N105匝77439的平均磁路长度l=10.74cm，磁场强度（Oe）为 Oe由图得到磁导率为60，H21Oe，磁导率下降到90%，为了在给定峰值电流时保持给定电感量，需增加匝数为 匝，选取111匝。此时磁场强度H11121/10522.2Oe，下降到0.88,此时电感量 H1.464mH满足设计要求。最高电压时开关频率提高大约1%。应当注意到这里使用的是平均电流，实际峰值电流大一倍，最大磁场强度大一倍，从图上得到磁导率下降到80%，磁场强度从零到最大，平均磁导率为（0.81）/2=0.9，接近0.88。选取电流密度j=5A/mm2，导线尺寸为 mm选择d=0.63mm,d=0.70mm,截面积Acu0.312mm2。核算窗口利用系数。Aw4.27cm2,则 77439铁硅铝粉芯外径OD47.6mm,内径ID23.3mm。考虑第一层Nm1=(ID-0.5d-0.05)/1.05d)-1=96.9 实际96匝。第二层只要15匝 说应该考虑到以下几个方面：1、饱和磁场强度；2、磁导率；3、磁阻；4、延时时间；我们来试着归纳一下：1、用什么磁性材料最合适？包括：饱和磁场强度、磁导率、磁滞回线、磁芯的高频损耗特性等等，这些参数我们现阶段只能这样解决：在现有的、可采购到的磁性材料里面筛选比较适合做饱和电感的材料。或许更深入的研究可以提出一种更加适合做饱和电感的磁性材料研发指标，那是后话了。2、采用什么结构最合适？包括了绕组结构、磁路结构和散热结构等等。希望最终可以得到一种适合工业生产的饱和电感结构设计范例。3、在什么应用条件下采用什么参数的饱和电感最合适？包括以下不同的应用条件的变化：拓扑、电压等级、PWM（频率、占空、波形）、吸收形式（无损、有损、软开关等）、器件参数（开关和快恢复二极管）、控制方式（常规、交错或PFC），分布参数。硬开关：1.开关损耗大。开通时，开关器件的电流上升和电压下降同时进行；关断时，电压上升和电流下降同时进行。电压、电流波形的交叠产生了开关损耗，该损耗随开关频率的提高而急速增加。2.感性关断电尖峰大。当器件关断时，电路的感性元件感应出尖峰电压，开关频率愈高，关断愈快，该感应电压愈高。此电压加在开关器件两端，易造成器件击穿。3.容性开通电流尖峰大。当开关器件在很高的电压下开通时，储存在开关器件结电容中的能量将以电流形式全部耗散在该器件内。频率愈高，开通电流尖峰愈大，从而引起器件过热损坏。另外，二极管由导通变为截止时存在反向恢复期，开关管在此期间内的开通动作，易产生很大的冲击电流。频率愈高，该冲击电流愈大，对器件的安全运行造成危害。4.电磁干扰严重。随着频率提高，电路中的di/dt和dv/dt增大，从而导致电磁干扰（EMI）增大，影响整流器和周围电子设备的工作。软开关：上述问题严重阻碍了开关器件工作频率的提高。近年来开展的软开关技术研究为克服上述缺陷提供了一条有效的途径。和硬开关工作不同，理想的软关断过程是电流先降到零，电压在缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零。由于器件关断前电流已下降到零，解决了感性关断问题。理想的软开通过程是电压先降到零，电流在缓慢上升到通态值，所以开通损耗近似为零，器件结电容的电压亦为零，解决了容性开通问题。同时，开通时，二极管反向恢复过程已经结束，因此二极管方向恢复问题不存在。一、饱和电感的作用饱和电感的作用是在单端变换器中作为无损吸收或者软开关电路的电感元件使用，以适当的设计参数获得最佳的吸收或者软开关效果。如图所示：图中L2即饱和电感，根据电路的不同，可以在MOSFET的S、D脚任意一端。但一般不要放到续流二极管D1两端去。这个电感可以是不饱和电感，也可以是饱和电感，还可以是磁珠电感。效果各不相同。单端拓扑包括所有的不隔离直接变换拓扑，饱和电感总是位于其开关器件的某一端。有变压器或者偶合电感的电路不适合饱和电感的应用，这是由于变压器或者偶合电感总是存在漏感，而漏感具有与饱和电感显著不同的特性，其吸收或者软开关的实现应该围绕漏感展开。二、饱和电感的效果采用饱和电感，只要参数设计得当，可以达到相当好的、近乎理想的软开关效果。因此，个人认为，只要采用设计得当的饱和电感无损吸收方式，将使单端拓扑的性能得到一个相当显著的提升，完全可以与有源软开关媲美。性能的提升包括开关损耗，开关应力，总效率，可靠性，成本饱和电感最典型的应用，也是最能带来明显效果的应用就是常见的boost结构的PFC电路。与硬开关电路比较，功率器件的损耗可望数倍降低，效率可望整点提高三、饱和电感的性质饱和电感作为一个特别的元件，具有三个最主要特性1、电感特性，这个电感有明确的初始电感量，这个电感是一个非线性特性非常显著的电感，随着电流的增加，电感量减少，一直到0，即进入饱和状态。 饱和状态的电感为0，这极有利于功率的传输，可以获得高效率。 什么电流情况下进入饱和，以何种方式进入，对电路影响甚大，是需要仔细推敲的，是设计的重点。 进入饱和状态前，有一个非常短暂的时间电感是存在的，尽管是非线性的。 在退出饱和状态电流下降的0的过程中，同样有一个非常短暂的时间电感是存在的，与上述过程相反。 这两个短暂的时间与我们的开关时间ton、toff正好对应。 由于这个这个电感的存在，才能使我们能够实现预期的缓冲、吸收、谐振等功能。由于其电感是非线性的，其暂态过程非常复杂。2、损耗特性饱和电感是一个耗能器件，或者说是一个功率器件，主要原因是在开关导通瞬间吸收顺态电流的储能远比关断过程残余电感最终释放的能量多，大部分能量在饱和或者脱离饱和的过程中消耗掉了，该能量表现为饱和电感的磁损。3、高频电阻特性饱和电感实际上是介于理想电感和磁珠电感之间的一种电感，只要参数合适，对EWI抑制效果是明显的。当然这也可以理解为因为饱和电感在相当程度上实现了软开关所达到的效果。四、饱和电感设计方法饱和电感是以非常敏感的大动态、功率级而非信号级的瞬态参数为对象，以非常复杂的非线性过程实施控制。事实上，饱和电感本身的参数的些微改变，对控制对象-开关波形的影响是非常显著的。遗憾的是，实际上很难找到关于饱和电感的设计方法方面的文献。如果说理论分析由于其复杂性使得我们基本上不能依靠计算获得设计参数，那么经验公式总该有吧？竟然也没有！论坛上有不少以分析计算为强项的高手，但我估计没有几个人能够在这个问题上说得清楚。估计工程上多半是以实验为主，这里面有很大的盲目性。一个线圈通过电流时，线圈中便有磁场产生，描述这个磁场有两个物理量，一个是磁场强度，用H来表示