PFC电感设计学习教案

1、会计学1PFC电感电感(din n)设计设计第一页，共56页。2022-5-82功率因数校正即PFC是十几年电源(dinyun)技术进步的重大领域，它的基本原理是：（1）电源输入(shr)电流实现正弦波，正弦化就是要使其谐波为零，电流失真因数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页第二页，共56页。2022-5-83tuiiiiiui0uiiiUICOSPF 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页第三页，共56页。

2、2022-5-84THD -Total Harmonic Distortion小知识(zh shi)(1)对电网产生谐波(xi b)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页第四页，共56页。2022-5-85211n2nIITHD2THD11PF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/共55页第五页，共56页。2022-5-86 一般以Boost 电路和反激式电路为讨论对象，前者常用于电流连

3、续和临界(ln ji)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页第六页，共56页。2022-5-87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 Conduction Mode)DCM (Discontinuous Current Mode)小知识第6页/共55页第七页，共56页。2022-5-88（3）

4、平均电流(dinli)控制常用(chn yn)的控制方法可变化: 滞环电流控制 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页第八页，共56页。2022-5-89峰值(fn zh)电流控制滞环控制方法(fngf)平均电流控制第8页/共55页第九页，共56页。2022-5-810开关频率(pnl)可变，峰值处最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页第十页，共56页。2022-5-8111、占空比近似不变时电感电流的峰值(fn zh)与输入电压成正比。2、输入电流波形自然跟随

5、输入电压波形3、代价：功率管峰值电流大。第10页/共55页第十一页，共56页。2022-5-812一、连续模式(msh)的电感设计二、临界连续模式电感(din n)设计第11页/共55页第十二页，共56页。2022-5-813V)(45.37322 . 1220maxpU（U in %）)V(4103900U输入220V，50Hz，变化(binhu)范围是额定值的20%(=20)输出电压高于输入(shr)最高电压的峰值。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页第十三页，共56页。2022-5-814minmaxioiUPI)%100(mininiUU%95oooIUP

6、 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页第十四页，共56页。2022-5-815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页第十五页，共56页。2022-5-816)1/(DUUiooimimopUUUD2max最大占空度输入电压(diny)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页第十六页，共56页。2022-5

7、-817tILU跟踪(gnzng)的是输入电流平均值电感中电流(dinli)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页第十七页，共56页。2022-5-818另外两种控制(kngzh)方法也类似。tILUL第17页/共55页第十八页，共56页。2022-5-81915. 01 . 0kmin2ionpUTILfTTTDonponppmaxfDTponpmaxmax22iIkI 定义电感(din n)纹波电流与峰值电流的比例系数LPIIk2/取IfDULpimaxmin2即第18页/共55页第十九页，共56页。2022-5-820小知识AP法选择磁芯:(2

8、)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页第二十页，共56页。2022-5-821)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页第二十一页，共56页。2022-5-822wiwjkNIAmaxN匝导线(doxin)

9、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页第二十二页，共56页。2022-5-823jfBkkDIUjkNIBfNDUAAAPwpiiwipiew222maxmaxminmaxmaxminwiwjkNIAmaxBfNDUBNTUApioniemaxminmaxmin225 . 03 . 0wkB/(1+k) BBk2保证(bozhng)任何情况下磁芯不饱和使用。第22页/共55页第二十三页，共56页。2022-5-824eBAILN上述就是以Boost电路PFC校正电路为例，在连续电流模式情况下的PFC电感(din n

10、)计算。第23页/共55页第二十四页，共56页。2022-5-825二、临界Boost电感(din n)设计第24页/共55页第二十五页，共56页。2022-5-826CRM控制法（1）功率(gngl)开关零电流导通电感电流线性上升。（2）当峰值电流达到(d do)跟踪的参考电流（正弦波）时开关关断，电感电流线性下降到零。（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页第二十六页，共56页。2022-5-827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LUTiion

11、on2iiLPUPImax22LUUTiioffoff)2(0)sin2(220maxtUUULPTiiioff2max2iionULPT)sin2(220maxtUUULPTiiioff00max2)sin2(1LUtUUPTTfiioffonsmax0min022)2(iiiPUfUUUL为什么？第26页/共55页第二十七页，共56页。2022-5-828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流(jioli)输入的峰值点设计，开关频率最小，正弦值等于1，所以得到电感的表达式。 对于给定输入(shr)电压和负载，开关频率也是要随着输入(sh

12、r)交流电压瞬时值的变化而变化的。max0min022)2(iiiPUfUUUL第27页/共55页第二十八页，共56页。2022-5-829offiooniTUUTU)(onioioffTUUUT方法(fngf)二的理论依据：电感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(ydng)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，开关周期很长，即频率很低。开关周期oiononiooonioionoffsUUTTUUUTUUUTTT11第28页/共55页第二十九页，共56页。2022-5-830对应的导通时间最低输入电压对应的导通时间最高输

13、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页第三十页，共56页。2022-5-831minmaxioiUPI最大输入(shr)电流有效值电感中最大峰值(fn zh)电流minmaxmax2222ioipUPII第30页/共55页第三十一页，共56页。2022-5-832（2）最高输入电压(diny)峰值时，开关频率最低。 假定最高输入电压(diny)峰值的开关周期为50s。 电感

14、选择(xunz)原则oionhUUTT/21max2minmax/iionhonLUUTTionLiITUL （1）开关频率应在20kHz以上，避免噪音。第31页/共55页第三十二页，共56页。2022-5-833磁芯的选择(xunz)第32页/共55页第三十三页，共56页。2022-5-834磁芯选择原则应考虑最恶劣( li)情况下磁芯不饱和meonLiBNATUmin2最低电压输入(shr)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页第三十四页，共56页。2022-5-835monLieNBTUAmin2jkNIAwiwmax 整

15、个窗口(chungku)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页第三十五页，共56页。2022-5-836emiABLINmax22jIAicumax线圈(xinqun)导线截面积第35页/共55页第三十六页，共56页。2022-5-837（1）弄清所选择(xunz)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。此外还有电感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

16、参数对电感设计的影响，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(gngzu)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页第三十七页，共56页。2022-5-838（5）利用AP法计算，选择(xunz)磁芯 计算磁芯的有效磁芯面积和磁芯窗口面积，再查表选择(xunz)磁芯。初步设计后并核算窗口利用系数。（4）磁性材料(c xn ci lio)设计时应注意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

17、等条件下选择BS。第37页/共55页第三十八页，共56页。2022-5-839第38页/共55页第三十九页，共56页。2022-5-840附录1 常规(chnggu)Boost电路工作的三种模式附录(fl)2 直流输入与交流输入模式比较附录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页第四十页，共56页。2022-5-841AQiLiiU+-ubDCRL+-U0LBittt000UuibALmaxLmin0ITTonoffiiL0i0IL itTonTof)1/(DUUio0iLTonTof i0ITt第40页/共55页第四十一页，共56页。2022-5-842三种

18、电感电流模式CCMCRMDCMCCMDCMDRMPFC电感电流形状第41页/共55页第四十二页，共56页。2022-5-843假定导通时间为:Ton=10s;输入电压最小峰值(fn zh)：Uimin/ U o=0.65;根据U o=Ui/(1-D) 得如果输入电压(diny)在20%范围变化;最低输入电压(diny)为2200.8=176V;输出电压(diny): 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页第四十三页，共56页。2022-5-844在15时，周期(zhuq)为12s,相当于开关频

19、率为83kHz 在最高输入电压时，得到(d do)最高电压导通时间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页第四十四页，共56页。2022-5-845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

20、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页第四十五页，共56页。2022-5-846（1）提高输出电压，开关频率变化(binhu)范围小，有利于输出滤波。（2）功率管和整流二极管要更高的电压(diny)定额，导通损耗和开关损耗增加。（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页第四十六页，共56页。2022-5-847例：输入220V20%，输出功率200W，采用

21、临界(ln ji)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. 322maxipII第46页/共55页第四十七页，共56页。2022-5-848设输出(shch)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页第四十八页，共56页。2022-5-849开关(kigu

22、n)周期为mH48. 1101 .102 . 11766ionLiITUL需要(xyo)的电感量 sUUTToion7 .25410/2208 . 0211 .101第48页/共55页第四十九页，共56页。2022-5-8507 .104135. 01480N匝105NmJLI9 .1610382. 348. 132nHAL135mH48. 1如果(rgu)采用磁粉芯，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页第五十页，共56页。2022-5-851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(xijing)到90%时，为了在给定峰值电流时保持给定电感量，需增加匝数为：匝6 .1109 . 01105N第50页/共55页第五十一页，共56页。2022-5-852此时(c sh)磁场强度H1