PFC电感设计实用教案

1、2021-12-101引言(ynyn) PFC校正功率因数校正即PFC是十几年电源技术进步的重大(zhngd)领域，它的基本原理是：（1）电源输入电流实现正弦波，正弦化就是要使其谐波为零，电流失真(sh zhn)因数THD=1。（2）保证电流相位与输入电压相位同相位，相移因数1。（3）最终实现PF=1的设计工作目标。第1页/共55页第一页，共56页。2021-12-102AC/DC整流电路(dinl)中电流波形tuiiiiiui0uiiiUICOSPF 电路中功率因数(n l yn sh)定义：视在功率有功功率SPPF视在功率有功功率SPPF二极管的非线性特性(txng)引起。第2页/共55页

2、第二页，共56页。2021-12-103谐波电流(dinli)对电网的危害THD -Total Harmonic Distortion小知识(zh shi)(1)对电网产生(chnshng)谐波污染（2）造成谐波压降（3）正弦电压波形畸变（4）产生电路故障，变电设备损坏。谐波的危害第3页/共55页第三页，共56页。2021-12-104名词术语与PFC校正(jiozhng)任务 211n2nIITHD2THD11PF同相位(xingwi)：电流与电压相位(xingwi)相同，PF=1。总谐波(xi b)失真率 功率因数与失真度的关系功率因数校正的任务与目的正弦化：电流失真因数THD=1。第4页

3、/共55页第四页，共56页。2021-12-105PFC校正(jiozhng)电路的选择 一般以Boost 电路和反激式电路为讨论对象，前者常用(chn yn)于电流连续和临界连续工作方式，后者用于断续模式，由于时间关系只讨论Boost电路电感的计算与设计。PFC校正电路有buckboostFlybackSEPICCuk第5页/共55页第五页，共56页。2021-12-106连续(linx)模式（CCM）临界模式（CRM,BCM）断续模式（DCM）CCM( Continuous Current Mode)BCM (Boundary Conduction Mode)CRM( Critical C

4、onduction Mode)DCM (Discontinuous Current Mode)小知识第6页/共55页第六页，共56页。2021-12-107Boost电路的PFC控制(kngzh)模式CCM（3）平均电流(dinli)控制常用的控制(kngzh)方法可变化可变化: : 滞环电流控制滞环电流控制 峰值电流控制峰值电流控制开关频率适用场合大功率场合可恒定（平均电流控制）（1）峰值电流控制（2）滞环电流控制第7页/共55页第七页，共56页。2021-12-108PFC的控制(kngzh)方法: CCM的控制(kngzh)方法峰值(fn zh)电流控制滞环控制方法(fngf)平均电流控

5、制第8页/共55页第八页，共56页。2021-12-109BOOST PFC控制(kngzh)模式CRM开关频率开关频率(pnl)(pnl)可可变，峰值处最变，峰值处最低低可获得单位功率因数1适用中小功率场合导通时间固定电感电感电流始终处于CRM模式第9页/共55页第九页，共56页。2021-12-1010BOOST PFC控制(kngzh)模式DCM1、占空比近似不变时电感电流的峰值与输入(shr)电压成正比。2、输入电流波形自然跟随输入电压波形3、代价：功率管峰值电流大。第10页/共55页第十页，共56页。2021-12-1011讨论(toln)的内容一、连续模式(msh)的电感设计二、临

6、界连续模式(msh)电感设计第11页/共55页第十一页，共56页。2021-12-10121 1、确定输出、确定输出(shch)(shch)电压电压 CCM CCM的电感设计的电感设计V)(45.37322 . 1220maxpU（U in %）)V(4103900U输入(shr)220V，50Hz，变化范围是额定值的20%(=20)输出电压(diny)高于输入最高电压(diny)的峰值。输出电压一般是输入最高峰值电压的倍。最高峰值电压第12页/共55页第十二页，共56页。2021-12-10132 2、确定最大输入电流、确定最大输入电流 CCM CCM的电感的电感(din n)(din n)

7、设计设计 最大电流发生在输入最大电流发生在输入(shr)(shr)电压电压最低，输出功率最大时。最低，输出功率最大时。minmaxioiUPI)%100(mininiUU%95oooIUP 设计(shj)要点电感在最大电流时避免饱和最大输入电流式中三个参数第13页/共55页第十三页，共56页。2021-12-10143、确定(qudng)工作频率 CCM的电感设计 功率(gngl)器件效 率输出功率等级(dngj)工作频率例如输出功率1500W功率管为MOSFET开关频率70100kHz第14页/共55页第十四页，共56页。2021-12-1015 4. 4. 确定最低输入电压确定最低输入电压

8、(diny)(diny)峰值时的最大占峰值时的最大占空度空度根据根据BoostBoost电路电路(dinl)(dinl)的公式的公式)1/(DUUiooimimopUUUD2max最大占空度输入(shr)电压最小峰值输出电压U0太低，在最高输入电压峰值时占空度非常小，由于功率开关的开关时间限制，可能输入电流不能跟踪输入电压，造成THD加大。 00/1/1UUDUUDii第15页/共55页第十五页，共56页。2021-12-10165 5、求需要的电感、求需要的电感(din n)(din n)量量 CCM CCM的电感的电感(din n)(din n)设计设计 tILU跟踪(gnzng)的是输入

9、电流平均值电感(din n)中电流波形一般情况下：电感中的纹波电流等于峰值电流的20%。tILUL第16页/共55页第十六页，共56页。2021-12-10175 5、求需要、求需要(xyo)(xyo)的电感量的电感量 CCM CCM的电感设计的电感设计 另外两种控制(kngzh)方法也类似。tILUL第17页/共55页第十七页，共56页。2021-12-10185 5、求需要的电感、求需要的电感(din n)(din n)量量 CCM CCM的电感的电感(din n)(din n)设计设计 15. 01 . 0kmin2ionpUTILfTTTDonponppmaxfDTponpmaxmax

10、22iIkI 定义电感纹波电流与峰值电流的比例(bl)系数LPIIk2/取IfDULpimaxmin2即第18页/共55页第十八页，共56页。2021-12-10196 6、利用、利用APAP法选择磁芯尺寸法选择磁芯尺寸 CCM CCM模式电感模式电感(din n)(din n)设计设计小知识AP法选择磁芯:(2)求窗口面积Aw(1)求磁芯有效截面积A eweAAAP查表选磁芯型号eoniBANNTUmaxmin2BfNDUBNTUApioniemaxminmaxmin22求磁芯有效(yuxio)截面积A efDTponmaxmax其中(qzhng)第19页/共55页第十九页，共56页。202

11、1-12-10206、利用AP法选择磁芯尺寸(ch cun) 连续模式的电感设计 )100(12左右sBkBBB（C）最大输入(shr)电流不饱和kBB2损耗与温度(wnd)的关系B的选择确定磁芯的工作情况前，先研究Boost电感特点：（A）直流分量很大（B）磁芯损耗小于铜损耗第20页/共55页第二十页，共56页。2021-12-10216、利用AP法选择磁芯尺寸(ch cun) 连续模式的电感设计 wiwjkNIAmaxN匝导线(doxin)的面积jINNAimax窗口(chungku)系数磁芯窗口面积Aw求窗口面积AwA=area电流密度第21页/共55页第二十一页，共56页。2021-1

12、2-10226、利用AP法选择磁芯尺寸 连续(linx)模式的电感设计 jfBkkDIUjkNIBfNDUAAAPwpiiwipiew222maxmaxminmaxmaxminwiwjkNIAmaxBfNDUBNTUApioniemaxminmaxmin225 . 03 . 0wkB/(1+k) BBk2保证任何(rnh)情况下磁芯不饱和使用。第22页/共55页第二十二页，共56页。2021-12-10237 7、计算、计算(j sun)(j sun)匝数匝数eBAILN上述就是(jish)以Boost电路PFC校正电路为例，在连续电流模式情况下的PFC电感计算。第23页/共55页第二十三页，

13、共56页。2021-12-1024二、临界Boost电感(din n)设计第24页/共55页第二十四页，共56页。2021-12-1025临界连续特征(tzhng) CRM电感设计方法一CRM控制法（1）功率(gngl)开关零电流导通电感电流线性上升。（2）当峰值电流(dinli)达到跟踪的参考电流(dinli)（正弦波）时开关关断，电感电流(dinli)线性下降到零。（3）开关再次开通。电感电流峰值波络电感电流峰值波络固定导通时间，变频控制固定导通时间，变频控制以峰值控制法为例说明控制概念.第25页/共55页第二十五页，共56页。2021-12-1026临界连续特征 CRM电感设计(shj)

14、方法一电感电流峰值波络电感电流峰值波络固定导通时间，变频控制固定导通时间，变频控制LUTiionon2iiLPUPImax22LUUTiioffoff)2(0)sin2(220maxtUUULPTiiioff2max2iionULPT)sin2(220maxtUUULPTiiioff00max2)sin2(1LUtUUPTTfiioffonsmax0min022)2(iiiPUfUUUL为什么？第26页/共55页第二十六页，共56页。2021-12-1027临界连续特征(tzhng) CRM电感设计方法一电感电流峰值波络电感电流峰值波络固定导通时间，变频控制固定导通时间，变频控制因此选择正弦交

15、流输入的峰值点设计，开关频率最小，正弦值等于1，所以得到(d do)电感的表达式。 对于给定输入电压和负载，开关(kigun)频率也是要随着输入交流电压瞬时值的变化而变化的。max0min022)2(iiiPUfUUUL第27页/共55页第二十七页，共56页。2021-12-1028临界连续特征(tzhng) CRM电感设计方法二offiooniTUUTU)(onioioffTUUUT方法二的理论依据：电感(din n)的导通伏秒应当等于截止时伏秒应当注意：输出电压U o一定大于输入电压U i，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(kigun)周期很长，即

16、频率很低。开关周期oiononiooonioionoffsUUTTUUUTUUUTTT11第28页/共55页第二十八页，共56页。2021-12-1029临界连续特征 CRM电感(din n)设计方法二对应的导通时间最低输入电压对应的导通时间最高输入电压minmax:ionLionhUTUT符号(fho)定义输入(shr)电压高，导通时间短，输入(shr)的电压低，导通时间长2minmaxionhonLiUTTU电感电流峰值波络电感电流峰值波络固定导通时间，变频控制固定导通时间，变频控制第29页/共55页第二十九页，共56页。2021-12-1030最大峰值电流最大峰值电流 CRM CRM电感

17、设计电感设计(shj)(shj)方法二方法二 minmaxioiUPI最大输入(shr)电流有效值电感(din n)中最大峰值电流minmaxmax2222ioipUPII第30页/共55页第三十页，共56页。2021-12-1031决定决定(judng)(judng)电感量电感量 CRM CRM电感设计方电感设计方法二法二 （2）最高输入电压峰值时，开关(kigun)频率最低。 假定最高输入电压峰值的开关(kigun)周期为50s。 电感选择(xunz)原则oionhUUTT/21max2minmax/iionhonLUUTTionLiITUL （1）开关频率应在20kHz以上，避免噪音。第

18、31页/共55页第三十一页，共56页。2021-12-1032磁芯的选择(xunz)第32页/共55页第三十二页，共56页。2021-12-1033选择磁芯选择磁芯 CRM CRM电感设计电感设计(shj)(shj)方法方法 磁芯选择原则应考虑(kol)最恶劣情况下磁芯不饱和meonLiBNATUmin2最低电压(diny)输入峰值不饱和。最大为减少损耗，应选择饱和磁感应的70%。)100(CSmBB最大磁通密度第33页/共55页第三十三页，共56页。2021-12-1034选择磁芯 CRM电感(din n)设计 monLieNBTUAmin2jkNIAwiwmax 整个窗口(chungku)

19、铜线的截面积 maxiwwIjkAN wonLowmonLiiweBjkTPjkBTIUAAAP22maxmin用AP法选择(xunz)磁芯尺寸 电感线圈圈数NjIkAiwwmax窗口系数单根导线面积第34页/共55页第三十四页，共56页。2021-12-1035计算线圈(xinqun)匝数 CRM电感设计 emiABLINmax22jIAicumax线圈(xinqun)导线截面积第35页/共55页第三十五页，共56页。2021-12-1036PFC的电感(din n)计算方法总结（1）弄清所选择的控制方法 一般来讲连续模式有：峰值电流控制、平均电流控制和滞环控制等方法。此外(cwi)还有电感

20、电流临界模式和断续模式，可以参考相关书籍。（2）弄清输入参数和输出参数对电感设计的影响(yngxing)，寻找最恶劣条件的情况下，如果电感参数满足设计要求，那么在任何工作范围内电感设计满足要求。（3）计算电感时应密切关注电感上的电流变化，电感上电压的变化及其变化的时间即伏秒面积。并遵循能量守恒下电感电流不能突变的原则分析。第36页/共55页第三十六页，共56页。2021-12-1037PFC的电感(din n)计算方法总结（5）利用AP法计算，选择磁芯 计算磁芯的有效磁芯面积和磁芯窗口(chungku)面积，再查表选择磁芯。初步设计后并核算窗口(chungku)利用系数。（4）磁性材料设计时应

21、注意(zh y)磁芯磁场的工作范围，确保在整个工作时间内磁感应密度不饱和。并在考虑磁芯损耗、工作频率和工作温度等条件下选择BS。第37页/共55页第三十七页，共56页。2021-12-1038PFC电感(din n)设计第38页/共55页第三十八页，共56页。2021-12-1039附录(fl)附录1 常规(chnggu)Boost电路工作的三种模式附录2 直流输入与交流输入模式(msh)比较附录3 例子说明 CRM电感设计附录4 例题 CRM电感设计第39页/共55页第三十九页，共56页。2021-12-1040附录(fl)1：常规Boost电路工作的三种模式AQiLiiU+-ubDCRL+

22、-U0LBittt000UuibALmaxLmin0ITTonoffiiL0i0IL itTonTof)1/(DUUio0iLTonTof i0ITt第40页/共55页第四十页，共56页。2021-12-1041附录(fl)2：直流输入与交流输入模式比较三种电感电流模式CCMCRMDCMCCMDCMDRMPFC电感电流形状第41页/共55页第四十一页，共56页。2021-12-1042附录3 例子(l zi)说明 CRM电感设计方法二 假定导通时间为:Ton=10s;输入电压(diny)最小峰值：Uimin/ U o=0.65;根据U o=Ui/(1-D) 得如果(rgu)输入电压在20%范围

23、变化;最低输入电压为2200.8=176V;输出电压: U o383V。周期为，频率fs=35kHz。电感电流峰值波络电感电流峰值波络固定导通时间，变频控制固定导通时间，变频控制第42页/共55页第四十二页，共56页。2021-12-1043附录3 例子说明 CRM电感(din n)设计方法二在15时，周期(zhuq)为12s,相当于开关频率为83kHz 在最高输入电压(diny)时，得到最高电压(diny)导通时间T onh(0.8/1.2)2TonL， 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。 电感电流峰值波络电感电流峰值波络固定导

24、通时间，变频控制固定导通时间，变频控制第43页/共55页第四十三页，共56页。2021-12-1044如果将输出(shch)电压提高到410V (1)最低输入电压时开关(kigun)周期为，开关(kigun)频率为。 (2)15时为11.864s,开关(kigun)周期为。 (3)输入最高电压峰值时，周期为49.2s,开关频率为。 (4)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。附录3 例子说明 CRM电感设计方法二第44页/共55页第四十四页，共56页。2021-12-1045附录3

25、 小结(xioji) CRM电感设计方法二（1）提高输出电压，开关频率变化范围(fnwi)小，有利于输出滤波。（2）功率管和整流二极管要更高的电压定额，导通损耗(snho)和开关损耗(snho)增加。（3）220V20%交流输入，一般选择输出电压为410V左右。（4）110V20%交流输入，输出电压选择210V。第45页/共55页第四十五页，共56页。2021-12-1046附录4 例题(lt) CRM电感设计例：输入(shr)220V20%，输出功率200W，采用临界连续（CRM）,假定效率为。解：输入(shr)最大电流为2.12208.095.0200minmaxioiUPI峰值电流A38

26、. 322maxipII第46页/共55页第四十六页，共56页。2021-12-1047附录4 例题 CRM电感(din n)设计设输出电压(diny)为410V，最高输入电压(diny)时最低频率为20kHz。即周期为50s，因此，导通时间为sUUTToionh47. 4)410/2202 . 121 (50/21max输入最低电压峰值(fn zh)时的导通时间sUUTTiionhonL1 .1017626447. 422minmax第47页/共55页第四十七页，共56页。2021-12-1048附录(fl)4 例题 CRM电感设计开关(kigun)周期为mH48. 1101 .102 .

27、11766ionLiITUL需要(xyo)的电感量 sUUTToion7 .25410/2208 . 0211 .101第48页/共55页第四十八页，共56页。2021-12-1049附录4 例题(lt) CRM电感设计7 .104135. 01480N匝105NmJLI9 .1610382. 348. 132nHAL135mH48. 1如果采用(ciyng)磁粉芯，选用铁硅铝磁芯。电感(din n)系数电感选择77439,有效磁导率为60.需要的匝数为第49页/共55页第四十九页，共56页。2021-12-1050附录4 例题(lt) CRM电感设计匝111NeOlNIH2174.10414. 12 . 11054 . 04 . 0 77439的平均磁路(c l)长度，磁场强度为 磁导率为60，H21Oe，当磁导率下降到90%时，为了在给定峰值电流时保持给定电感(din n)量，需增加匝数为：匝6 .1109 . 0