PFC電感計算PPT課件

1、16:48PFC1引言 PFC校正功率因數(shù)校正即PFC是十幾年電源技術進步的重大領域，它的基本原理是：（1）電源輸入電流實現(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）最終實現(xiàn)PF=1的設計工作目標。第1頁/共55頁16:48PFC2AC/DC整流電路中電流波形tuiiiiiui0uiiiUICOSPF 電路中功率因數(shù)定義：視在功率有功功率SPPF視在功率有功功率SPPF二極管的非線性特性引起。第2頁/共55頁16:48PFC3諧波電流對電網(wǎng)的危害THD -Total Harmonic Distortion小知識(1)對電

2、網(wǎng)產生諧波污染（2）造成諧波壓降（3）正弦電壓波形畸變（4）產生電路故障，變電設備損壞。諧波的危害第3頁/共55頁16:48PFC4名詞術語與PFC校正任務 211n2nIITHD2THD11PF同相位：電流與電壓相位相同，PF=1。總諧波失真率 功率因數(shù)與失真度的關系功率因數(shù)校正的任務與目的正弦化：電流失真因數(shù)THD=1。第4頁/共55頁16:48PFC5PFC校正電路的選擇 一般以Boost 電路和反激式電路為討論對象，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，由于時間關系只討論Boost電路電感的計算與設計。PFC校正電路有buckboostFlybackSEPICCuk第

3、5頁/共55頁16:48PFC6連續(xù)模式（CCM）臨界模式（CRM,BCM）斷續(xù)模式（DCM）CCM( Continuous Current Mode)BCM (Boundary Conduction Mode)CRM( Critical Conduction Mode)DCM (Discontinuous Current Mode)小知識第6頁/共55頁16:48PFC7Boost電路的PFC控制模式CCM（3）平均電流控制常用的控制方法可變化: 滯環(huán)電流控制 峰值電流控制開關頻率適用場合大功率場合可恒定（平均電流控制）（1）峰值電流控制（2）滯環(huán)電流控制第7頁/共55頁16:48PFC8P

4、FC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第8頁/共55頁16:48PFC9BOOST PFC控制模式CRM開關頻率可變，峰值處最低可獲得單位功率因數(shù)1適用中小功率場合導通時間固定電感電感電流始終處于CRM模式第9頁/共55頁16:48PFC10BOOST PFC控制模式DCM1、占空比近似不變時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：功率管峰值電流大。第10頁/共55頁16:48PFC11討論的內容一、連續(xù)模式的電感設計二、臨界連續(xù)模式電感設計第11頁/共55頁16:48PFC121 1、確定輸出電壓、確定輸出電壓 CCM的電

5、感設計V)(45.37322 . 1220maxpU（U in %）)V(4103900U輸入220V，50Hz，變化范圍是額定值的20%(=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1.051.1倍。最高峰值電壓第12頁/共55頁16:48PFC132 2、確定最大輸入電流、確定最大輸入電流 CCM的電感設計 最大電流發(fā)生在輸入電壓最低，輸出功率最大時。minmaxioiUPI)%100(mininiUU%95oooIUP 設計要點電感在最大電流時避免飽和最大輸入電流式中三個參數(shù)第13頁/共55頁16:48PFC143、確定工作頻率 CCM的電感設計 功率器件效

6、率輸出功率等級工作頻率例如輸出功率1500W功率管為MOSFET開關頻率70100kHz第14頁/共55頁16:48PFC15 4. 4. 確定最低輸入電壓峰值時的最大占空確定最低輸入電壓峰值時的最大占空度度根據(jù)Boost電路的公式)1/(DUUiooimimopUUUD2max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占空度非常小，由于功率開關的開關時間限制，可能輸入電流不能跟蹤輸入電壓，造成THD加大。 00/1/1UUDUUDii第15頁/共55頁16:48PFC165 5、求需要的電感量、求需要的電感量 CCM的電感設計 tILU跟蹤的是輸入電流平均值電感中電流波

7、形一般情況下：電感中的紋波電流等于峰值電流的20%。tILUL第16頁/共55頁16:48PFC175 5、求需要的電感量、求需要的電感量 CCM的電感設計 另外兩種控制方法也類似。tILUL第17頁/共55頁16:48PFC185 5、求需要的電感量、求需要的電感量 CCM的電感設計 15. 01 . 0kmin2ionpUTILfTTTDonponppmaxfDTponpmaxmax22iIkI 定義電感紋波電流與峰值電流的比例系數(shù)LPIIk2/取IfDULpimaxmin2即第18頁/共55頁16:48PFC196 6、利用、利用APAP法選擇磁芯尺寸法選擇磁芯尺寸 CCM模式電感設計小

8、知識AP法選擇磁芯:(2)求窗口面積Aw(1)求磁芯有效截面積A eweAAAP查表選磁芯型號eoniBANNTUmaxmin2BfNDUBNTUApioniemaxminmaxmin22求磁芯有效截面積A efDTponmaxmax其中第19頁/共55頁16:48PFC206、利用AP法選擇磁芯尺寸 連續(xù)模式的電感設計 )100(12左右sBkBBB（C）最大輸入電流不飽和kBB2損耗與溫度的關系B的選擇確定磁芯的工作情況前，先研究Boost電感特點：（A）直流分量很大（B）磁芯損耗小于銅損耗第20頁/共55頁16:48PFC216、利用AP法選擇磁芯尺寸 連續(xù)模式的電感設計 wiwjkNI

9、AmaxN匝導線的面積jINNAimax窗口系數(shù)磁芯窗口面積Aw求窗口面積AwA=area電流密度第21頁/共55頁16:48PFC226、利用AP法選擇磁芯尺寸 連續(xù)模式的電感設計 jfBkkDIUjkNIBfNDUAAAPwpiiwipiew222maxmaxminmaxmaxminwiwjkNIAmaxBfNDUBNTUApioniemaxminmaxmin225 . 03 . 0wkB/(1+k) BBk2保證任何情況下磁芯不飽和使用。第22頁/共55頁16:48PFC237 7、計算匝數(shù)、計算匝數(shù)eBAILN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

10、計算。第23頁/共55頁16:48PFC24二、臨界Boost電感設計第24頁/共55頁16:48PFC25臨界連續(xù)特征 CRM電感設計方法一CRM控制法（1）功率開關零電流導通電感電流線性上升。（2）當峰值電流達到跟蹤的參考電流（正弦波）時開關關斷，電感電流線性下降到零。（3）開關再次開通。電感電流峰值波絡電感電流峰值波絡固定導通時間，變頻控制固定導通時間，變頻控制以峰值控制法為例說明控制概念.第25頁/共55頁16:48PFC26臨界連續(xù)特征 CRM電感設計方法一電感電流峰值波絡電感電流峰值波絡固定導通時間，變頻控制固定導通時間，變頻控制NoImageLUTiionon2iiLPUPIma

11、x22LUUTiioffoff)2(0)sin2(220maxtUUULPTiiioff2max2iionULPT)sin2(220maxtUUULPTiiioff00max2)sin2(1LUtUUPTTfiioffonsmax0min022)2(iiiPUfUUUL為什么？第26頁/共55頁16:48PFC27臨界連續(xù)特征 CRM電感設計方法一電感電流峰值波絡電感電流峰值波絡固定導通時間，變頻控制固定導通時間，變頻控制因此選擇正弦交流輸入的峰值點設計，開關頻率最小，正弦值等于1，所以得到電感的表達式。 對于給定輸入電壓和負載，開關頻率也是要隨著輸入交流電壓瞬時值的變化而變化的。max0mi

12、n022)2(iiiPUfUUUL第27頁/共55頁16:48PFC28臨界連續(xù)特征 CRM電感設計方法二offiooniTUUTU)(onioioffTUUUT方法二的理論依據(jù)：電感的導通伏秒應當?shù)扔诮刂箷r伏秒應當注意：輸出電壓U o一定大于輸入電壓U i，如果輸出電壓接近輸入電壓，在輸入電壓峰值附近，截止時間遠大于導通時間，開關周期很長，即頻率很低。開關周期oiononiooonioionoffsUUTTUUUTUUUTTT11第28頁/共55頁16:48PFC29臨界連續(xù)特征 CRM電感設計方法二對應的導通時間最低輸入電壓對應的導通時間最高輸入電壓minmax:ionLionhUTUT符

13、號定義輸入電壓高，導通時間短，輸入的電壓低，導通時間長2minmaxionhonLiUTTU電感電流峰值波絡電感電流峰值波絡固定導通時間，變頻控制固定導通時間，變頻控制第29頁/共55頁16:48PFC30最大峰值電流最大峰值電流 CRM電感設計方法二 minmaxioiUPI最大輸入電流有效值電感中最大峰值電流minmaxmax2222ioipUPII第30頁/共55頁16:48PFC31決定電感量決定電感量 CRM電感設計方法二 （2）最高輸入電壓峰值時，開關頻率最低。 假定最高輸入電壓峰值的開關周期為50s。 電感選擇原則oionhUUTT/21max2minmax/iionhonLUU

14、TTionLiITUL （1）開關頻率應在20kHz以上，避免噪音。第31頁/共55頁16:48PFC32磁芯的選擇第32頁/共55頁16:48PFC33選擇磁芯選擇磁芯 CRM電感設計方法 磁芯選擇原則應考慮最惡劣情況下磁芯不飽和meonLiBNATUmin2最低電壓輸入峰值不飽和。最大為減少損耗，應選擇飽和磁感應的70%。)100(CSmBB最大磁通密度第33頁/共55頁16:48PFC34選擇磁芯 CRM電感設計 monLieNBTUAmin2jkNIAwiwmax 整個窗口銅線的截面積 maxiwwIjkAN wonLowmonLiiweBjkTPjkBTIUAAAP22maxmin用

15、AP法選擇磁芯尺寸 電感線圈圈數(shù)NjIkAiwwmax窗口系數(shù)單根導線面積第34頁/共55頁16:48PFC35計算線圈匝數(shù) CRMCRM電感設計電感設計 emiABLINmax22jIAicumax線圈導線截面積第35頁/共55頁16:48PFC36PFC的電感計算方法總結（1）弄清所選擇的控制方法 一般來講連續(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，可以參考相關書籍。（2）弄清輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)對電感設計的影響，尋找最惡劣條件的情況下，如果電感參數(shù)滿足設計要求，那么在任何工作范圍內電感設計滿足要求。（3）計算電感時應密切關注電感上的電流變化，

16、電感上電壓的變化及其變化的時間即伏秒面積。并遵循能量守恒下電感電流不能突變的原則分析。第36頁/共55頁16:48PFC37PFC的電感計算方法總結（5）利用AP法計算，選擇磁芯 計算磁芯的有效磁芯面積和磁芯窗口面積，再查表選擇磁芯。初步設計后并核算窗口利用系數(shù)。（4）磁性材料設計時應注意磁芯磁場的工作范圍，確保在整個工作時間內磁感應密度不飽和。并在考慮磁芯損耗、工作頻率和工作溫度等條件下選擇BS。第37頁/共55頁16:48PFC38PFC電感設計第38頁/共55頁16:48PFC39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 例子說明 CRM電感設

17、計附錄4 例題 CRM電感設計第39頁/共55頁16:48PFC40附錄1：常規(guī)Boost電路工作的三種模式AQiLiiU+-ubDCRL+-U0LBittt000UuibALmaxLmin0ITTonoffiiL0i0IL itTonTof)1/(DUUio0iLTonTof i0ITt第40頁/共55頁16:48PFC41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電感電流形狀第41頁/共55頁16:48PFC42附錄3 例子說明 CRM電感設計方法二 假定導通時間為:Ton=10s;輸入電壓最小峰值：1.414Uimin/ U o=0.65

18、;根據(jù)U o=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2200.8=176V;輸出電壓: U o =1.4142200.8/0.65383V。周期為:T=Ton/D=10/0.35=28.57s，頻率f=1/28.57s=35kHz。電感電流峰值波絡電感電流峰值波絡固定導通時間，變頻控制固定導通時間，變頻控制第42頁/共55頁16:48PFC43附錄3 例子說明 CRM電感設計方法二在15時，周期為12s,相當于開關頻率為83kHz 在最高輸入電壓時，得到最高電壓導通時間T onh(0.8/1.2)2TonL4.444s， 在峰值時的開關周期為TTonh/(

19、1-1.4141.2220/383)176s，相當于開關頻率為5.66kHz。 電感電流峰值波絡電感電流峰值波絡固定導通時間，變頻控制固定導通時間，變頻控制第43頁/共55頁16:48PFC44如果將輸出電壓提高到410V (1)最低輸入電壓時開關周期為25.45s，開關頻率為39.3kHz。 (2)15時為11.864s,開關周期為84.5kHz。 (3)輸入最高電壓峰值時，周期為49.2s,開關頻率為20.3kHz。 (4)頻率變化范圍大為減少。即使在輸入電壓過零處，截止時間趨近零，開關頻率約為100kHz。最高頻率約為最低頻率只有5倍。而在383V輸出電壓時，卻為18倍。附錄3 例子說明

20、 CRM電感設計方法二第44頁/共55頁16:48PFC45附錄3 小結 CRM電感設計方法二（1）提高輸出電壓，開關頻率變化范圍小，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，導通損耗和開關損耗增加。（3）220V20%交流輸入，一般選擇輸出電壓為410V左右。（4）110V20%交流輸入，輸出電壓選擇210V。第45頁/共55頁16:48PFC46附錄4 例題 CRM電感設計例：輸入220V20%，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2.12208.095.0200minmaxioiUPI峰值電流A38. 322maxipII第46

21、頁/共55頁16:48PFC47附錄4 例題 CRM電感設計設輸出電壓為410V，最高輸入電壓時最低頻率為20kHz。即周期為50s，因此，導通時間為sUUTToionh47. 4)410/2202 . 121 (50/21max輸入最低電壓峰值時的導通時間sUUTTiionhonL1 .1017626447. 422minmax第47頁/共55頁16:48PFC48附錄4 例題 CRM電感設計開關周期為mH48. 1101 .102 . 11766ionLiITUL需要的電感量 sUUTToion7 .25410/2208 . 0211 .101第48頁/共55頁16:48PFC49附錄4 例題 CRM電感設計7 .104135. 01480N匝105NmJLI9 .1610382. 348. 132nHAL135mH48. 1如果采用磁粉芯，選用鐵硅鋁磁芯。電感系數(shù)電感選擇77439,有效磁導率為60.需要的匝數(shù)為第49頁