PFC電感設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1PFC電感電感(din n)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)第一頁，共56頁。2022-5-82功率因數(shù)校正即PFC是十幾年電源(dinyun)技術(shù)進(jìn)步的重大領(lǐng)域，它的基本原理是：（1）電源輸入(shr)電流實(shí)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(shí)現(xiàn)PF=1的設(shè)計(jì)工作目標(biāo)。第1頁/共55頁第二頁，共56頁。2022-5-83tuiiiiiui0uiiiUICOSPF 電路中功率因數(shù)(n l yn sh)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(txng)引起。第2頁/共55頁第三頁，共56頁。

2、2022-5-84THD -Total Harmonic Distortion小知識(zh shi)(1)對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波(xi b)污染（2）造成諧波壓降（3）正弦電壓波形畸變（4）產(chǎn)生電路故障，變電設(shè)備損壞。諧波的危害第3頁/共55頁第四頁，共56頁。2022-5-85211n2nIITHD2THD11PF同相位(xingwi)：電流與電壓相位(xingwi)相同，PF=1?？傊C波(xi b)失真率 功率因數(shù)與失真度的關(guān)系功率因數(shù)校正的任務(wù)與目的正弦化：電流失真因數(shù)THD=1。第4頁/共55頁第五頁，共56頁。2022-5-86 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

3、續(xù)和臨界(ln ji)連續(xù)工作方式，后者用于斷續(xù)模式，由于時(shí)間關(guān)系只討論Boost電路電感的計(jì)算與設(shè)計(jì)。PFC校正電路有buckboostFlybackSEPICCuk第5頁/共55頁第六頁，共56頁。2022-5-87連續(xù)(linx)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頁第七頁，共56頁。2022-5-88（3）

4、平均電流(dinli)控制常用(chn yn)的控制方法可變化: 滯環(huán)電流控制 峰值電流控制開關(guān)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頁第八頁，共56頁。2022-5-89峰值(fn zh)電流控制滯環(huán)控制方法(fngf)平均電流控制第8頁/共55頁第九頁，共56頁。2022-5-810開關(guān)頻率(pnl)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(dǎo)通時(shí)間固定電感電感電流始終處于CRM模式第9頁/共55頁第十頁，共56頁。2022-5-8111、占空比近似不變時(shí)電感電流的峰值(fn zh)與輸入電壓成正比。2、輸入電流波形自然跟隨

5、輸入電壓波形3、代價(jià)：功率管峰值電流大。第10頁/共55頁第十一頁，共56頁。2022-5-812一、連續(xù)模式(msh)的電感設(shè)計(jì)二、臨界連續(xù)模式電感(din n)設(shè)計(jì)第11頁/共55頁第十二頁，共56頁。2022-5-813V)(45.37322 . 1220maxpU（U in %）)V(4103900U輸入220V，50Hz，變化(binhu)范圍是額定值的20%(=20)輸出電壓高于輸入(shr)最高電壓的峰值。輸出電壓一般是輸入最高峰值電壓的倍。最高峰值電壓第12頁/共55頁第十三頁，共56頁。2022-5-814minmaxioiUPI)%100(mininiUU%95oooIUP

6、 設(shè)計(jì)(shj)要點(diǎn)電感在最大電流時(shí)避免飽和最大輸入電流式中三個(gè)參數(shù)第13頁/共55頁第十四頁，共56頁。2022-5-815功率(gngl)器件效 率輸出功率等級(dngj)工作頻率例如輸出功率1500W功率管為MOSFET開關(guān)頻率70100kHz第14頁/共55頁第十五頁，共56頁。2022-5-816)1/(DUUiooimimopUUUD2max最大占空度輸入電壓(diny)最小峰值輸出電壓U0太低，在最高輸入電壓峰值時(shí)占空度非常小，由于功率開關(guān)的開關(guān)時(shí)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頁第十六頁，共56頁。2022-5

7、-817tILU跟蹤(gnzng)的是輸入電流平均值電感中電流(dinli)波形一般情況下：電感中的紋波電流等于峰值電流的20%。tILUL第16頁/共55頁第十七頁，共56頁。2022-5-818另外兩種控制(kngzh)方法也類似。tILUL第17頁/共55頁第十八頁，共56頁。2022-5-81915. 01 . 0kmin2ionpUTILfTTTDonponppmaxfDTponpmaxmax22iIkI 定義電感(din n)紋波電流與峰值電流的比例系數(shù)LPIIk2/取IfDULpimaxmin2即第18頁/共55頁第十九頁，共56頁。2022-5-820小知識AP法選擇磁芯:(2

8、)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(yuxio)截面積A efDTponmaxmax其中(qzhng)第19頁/共55頁第二十頁，共56頁。2022-5-821)100(12左右sBkBBB（C）最大輸入(shr)電流不飽和kBB2損耗與溫度(wnd)的關(guān)系B的選擇確定磁芯的工作情況前，先研究Boost電感特點(diǎn)：（A）直流分量很大（B）磁芯損耗小于銅損耗第20頁/共55頁第二十一頁，共56頁。2022-5-822wiwjkNIAmaxN匝導(dǎo)線(doxin)

9、的面積jINNAimax窗口(chungku)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頁第二十二頁，共56頁。2022-5-823jfBkkDIUjkNIBfNDUAAAPwpiiwipiew222maxmaxminmaxmaxminwiwjkNIAmaxBfNDUBNTUApioniemaxminmaxmin225 . 03 . 0wkB/(1+k) BBk2保證(bozhng)任何情況下磁芯不飽和使用。第22頁/共55頁第二十三頁，共56頁。2022-5-824eBAILN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(din n

10、)計(jì)算。第23頁/共55頁第二十四頁，共56頁。2022-5-825二、臨界Boost電感(din n)設(shè)計(jì)第24頁/共55頁第二十五頁，共56頁。2022-5-826CRM控制法（1）功率(gngl)開關(guān)零電流導(dǎo)通電感電流線性上升。（2）當(dāng)峰值電流達(dá)到(d do)跟蹤的參考電流（正弦波）時(shí)開關(guān)關(guān)斷，電感電流線性下降到零。（3）開關(guān)再次開通。電感電流峰值波絡(luò)電感電流峰值波絡(luò)固定導(dǎo)通時(shí)間，變頻控制固定導(dǎo)通時(shí)間，變頻控制以峰值控制法為例說明控制概念.第25頁/共55頁第二十六頁，共56頁。2022-5-827電感電流峰值波絡(luò)電感電流峰值波絡(luò)固定導(dǎo)通時(shí)間，變頻控制固定導(dǎo)通時(shí)間，變頻控制LUTiion

11、on2iiLPUPImax22LUUTiioffoff)2(0)sin2(220maxtUUULPTiiioff2max2iionULPT)sin2(220maxtUUULPTiiioff00max2)sin2(1LUtUUPTTfiioffonsmax0min022)2(iiiPUfUUUL為什么？第26頁/共55頁第二十七頁，共56頁。2022-5-828電感電流峰值波絡(luò)電感電流峰值波絡(luò)固定導(dǎo)通時(shí)間，變頻控制固定導(dǎo)通時(shí)間，變頻控制因此選擇正弦交流(jioli)輸入的峰值點(diǎn)設(shè)計(jì)，開關(guān)頻率最小，正弦值等于1，所以得到電感的表達(dá)式。 對于給定輸入(shr)電壓和負(fù)載，開關(guān)頻率也是要隨著輸入(sh

12、r)交流電壓瞬時(shí)值的變化而變化的。max0min022)2(iiiPUfUUUL第27頁/共55頁第二十八頁，共56頁。2022-5-829offiooniTUUTU)(onioioffTUUUT方法(fngf)二的理論依據(jù)：電感的導(dǎo)通伏秒應(yīng)當(dāng)?shù)扔诮刂箷r(shí)伏秒應(yīng)當(dāng)注意：輸出電壓U o一定(ydng)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(shí)間遠(yuǎn)大于導(dǎo)通時(shí)間，開關(guān)周期很長，即頻率很低。開關(guān)周期oiononiooonioionoffsUUTTUUUTUUUTTT11第28頁/共55頁第二十九頁，共56頁。2022-5-830對應(yīng)的導(dǎo)通時(shí)間最低輸入電壓對應(yīng)的導(dǎo)通時(shí)間最高輸

13、入電壓minmax:ionLionhUTUT符號(fho)定義輸入(shr)電壓高，導(dǎo)通時(shí)間短，輸入(shr)的電壓低，導(dǎo)通時(shí)間長2minmaxionhonLiUTTU電感電流峰值波絡(luò)電感電流峰值波絡(luò)固定導(dǎo)通時(shí)間，變頻控制固定導(dǎo)通時(shí)間，變頻控制第29頁/共55頁第三十頁，共56頁。2022-5-831minmaxioiUPI最大輸入(shr)電流有效值電感中最大峰值(fn zh)電流minmaxmax2222ioipUPII第30頁/共55頁第三十一頁，共56頁。2022-5-832（2）最高輸入電壓(diny)峰值時(shí)，開關(guān)頻率最低。 假定最高輸入電壓(diny)峰值的開關(guān)周期為50s。 電感

14、選擇(xunz)原則oionhUUTT/21max2minmax/iionhonLUUTTionLiITUL （1）開關(guān)頻率應(yīng)在20kHz以上，避免噪音。第31頁/共55頁第三十二頁，共56頁。2022-5-833磁芯的選擇(xunz)第32頁/共55頁第三十三頁，共56頁。2022-5-834磁芯選擇原則應(yīng)考慮最惡劣( li)情況下磁芯不飽和meonLiBNATUmin2最低電壓輸入(shr)峰值不飽和。最大為減少損耗，應(yīng)選擇飽和磁感應(yīng)的70%。)100(CSmBB最大磁通密度第33頁/共55頁第三十四頁，共56頁。2022-5-835monLieNBTUAmin2jkNIAwiwmax 整

15、個(gè)窗口(chungku)銅線的截面積 maxiwwIjkAN wonLowmonLiiweBjkTPjkBTIUAAAP22maxmin用AP法選擇(xunz)磁芯尺寸 電感線圈圈數(shù)NjIkAiwwmax窗口系數(shù)單根導(dǎo)線面積第34頁/共55頁第三十五頁，共56頁。2022-5-836emiABLINmax22jIAicumax線圈(xinqun)導(dǎo)線截面積第35頁/共55頁第三十六頁，共56頁。2022-5-837（1）弄清所選擇(xunz)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(guān)書籍。（2）弄清輸入?yún)?shù)和輸出

16、參數(shù)對電感設(shè)計(jì)的影響，尋找最惡劣條件的情況下，如果電感參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，那么在任何工作(gngzu)范圍內(nèi)電感設(shè)計(jì)滿足要求。（3）計(jì)算電感時(shí)應(yīng)密切關(guān)注電感上的電流變化，電感上電壓的變化及其變化的時(shí)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頁第三十七頁，共56頁。2022-5-838（5）利用AP法計(jì)算，選擇(xunz)磁芯 計(jì)算磁芯的有效磁芯面積和磁芯窗口面積，再查表選擇(xunz)磁芯。初步設(shè)計(jì)后并核算窗口利用系數(shù)。（4）磁性材料(c xn ci lio)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意磁芯磁場的工作范圍，確保在整個(gè)工作時(shí)間內(nèi)磁感應(yīng)密度不飽和。并在考慮磁芯損耗、工作頻率和工作溫度

17、等條件下選擇BS。第37頁/共55頁第三十八頁，共56頁。2022-5-839第38頁/共55頁第三十九頁，共56頁。2022-5-840附錄1 常規(guī)(chnggu)Boost電路工作的三種模式附錄(fl)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(shè)計(jì)附錄4 例題 CRM電感設(shè)計(jì)第39頁/共55頁第四十頁，共56頁。2022-5-841AQiLiiU+-ubDCRL+-U0LBittt000UuibALmaxLmin0ITTonoffiiL0i0IL itTonTof)1/(DUUio0iLTonTof i0ITt第40頁/共55頁第四十一頁，共56頁。2022-5-842三種

18、電感電流模式CCMCRMDCMCCMDCMDRMPFC電感電流形狀第41頁/共55頁第四十二頁，共56頁。2022-5-843假定導(dǎo)通時(shí)間為:Ton=10s;輸入電壓最小峰值(fn zh)：Uimin/ U o=0.65;根據(jù)U o=Ui/(1-D) 得如果輸入電壓(diny)在20%范圍變化;最低輸入電壓(diny)為2200.8=176V;輸出電壓(diny): U o383V。周期為，頻率fs=35kHz。電感電流峰值波絡(luò)電感電流峰值波絡(luò)固定導(dǎo)通時(shí)間，變頻控制固定導(dǎo)通時(shí)間，變頻控制第42頁/共55頁第四十三頁，共56頁。2022-5-844在15時(shí)，周期(zhuq)為12s,相當(dāng)于開關(guān)頻

19、率為83kHz 在最高輸入電壓時(shí)，得到(d do)最高電壓導(dǎo)通時(shí)間T onh(0.8/1.2)2TonL， 在峰值時(shí)的開關(guān)周期為TTonh/(1-1.4141.2220/383)176s，相當(dāng)于開關(guān)頻率為。 電感電流峰值波絡(luò)電感電流峰值波絡(luò)固定導(dǎo)通時(shí)間，變頻控制固定導(dǎo)通時(shí)間，變頻控制第43頁/共55頁第四十四頁，共56頁。2022-5-845如果將輸出(shch)電壓提高到410V (1)最低輸入電壓時(shí)開關(guān)(kigun)周期為，開關(guān)(kigun)頻率為。 (2)15時(shí)為11.864s,開關(guān)(kigun)周期為。 (3)輸入最高電壓峰值時(shí)，周期為49.2s,開關(guān)頻率為。 (4)頻率變化范圍大為減

20、少。即使在輸入電壓過零處，截止時(shí)間趨近零，開關(guān)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(shí)，卻為18倍。附錄3 例子說明 CRM電感設(shè)計(jì)方法二第44頁/共55頁第四十五頁，共56頁。2022-5-846（1）提高輸出電壓，開關(guān)頻率變化(binhu)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(diny)定額，導(dǎo)通損耗和開關(guān)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頁第四十六頁，共56頁。2022-5-847例：輸入220V20%，輸出功率200W，采用

21、臨界(ln ji)連續(xù)（CRM）,假定效率為。解：輸入(shr)最大電流為2.12208.095.0200minmaxioiUPI峰值電流A38. 322maxipII第46頁/共55頁第四十七頁，共56頁。2022-5-848設(shè)輸出(shch)電壓為410V，最高輸入電壓時(shí)最低頻率為20kHz。即周期為50s，因此，導(dǎo)通時(shí)間為sUUTToionh47. 4)410/2202 . 121 (50/21max輸入最低電壓峰值(fn zh)時(shí)的導(dǎo)通時(shí)間sUUTTiionhonL1 .1017626447. 422minmax第47頁/共55頁第四十八頁，共56頁。2022-5-849開關(guān)(kigu

22、n)周期為mH48. 1101 .102 . 11766ionLiITUL需要(xyo)的電感量 sUUTToion7 .25410/2208 . 0211 .101第48頁/共55頁第四十九頁，共56頁。2022-5-8507 .104135. 01480N匝105NmJLI9 .1610382. 348. 132nHAL135mH48. 1如果(rgu)采用磁粉芯，選用鐵硅鋁磁芯。電感(din n)系數(shù)電感選擇77439,有效磁導(dǎo)率為60.需要的匝數(shù)為第49頁/共55頁第五十頁，共56頁。2022-5-851匝111NeOlNIH2174.10414. 12 . 11054 . 04 . 0 77439的平均磁路(c l)長度，磁場強(qiáng)度為 磁導(dǎo)率為60，H21Oe，當(dāng)磁導(dǎo)率下降(xijing)到90%時(shí)，為了在給定峰值電流時(shí)保持給定電感量，需增加匝數(shù)為：匝6 .1109 . 01105N第50頁/共55頁第五十一頁，共56頁。2022-5-852此時(shí)(c sh)磁場強(qiáng)度H1