PFC电感设计

南京航空航天大学PFC电感计算AC/DC整流电路中电流波形tuiiiiiui0uiiiU•I•ϕCOSPF=ϕ功率因数定义：视在功率有功功率SPPF==视在功率有功功率SPPF==谐波电流对电网的危害THD-TotalHarmonicDistortion小知识(1)对电网产生谐波污染（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。谐波的危害利用Boost电路进行PFC校正211n2nIITHD∑≠=2THD11PF+=电流相位与输入电压保持同相位，PF为1。总谐波失真率输入电流实现正弦波，使电流失真因数为0。输入电流实现正弦波，使电流失真因数为0。功率因数与失真度的关系功率因数校正的目的研究对象的选择：一般以Boost电路和反激式电路为讨论对象，前者常用于电流连续和临界连续工作方式，后者用于断续模式，这儿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buckboostFlybackSEPICCukBoostPFCBoostPFC控制模式控制模式BoostPFCBoostPFC控制模式控制模式连续模式（CCM）临界模式（CRM,BCM）断续模式（DCM）CCM(ContinuousCurrentMode)BCM(BoundaryConductionMode)CRM(CriticalConductionMode)DCM(DiscontinuousCurrentMode)小知识BOOSTPFC控制模式——CCMCCMCCM特点：特点：（1）峰值电流控制（2）滞环电流控制（3）平均电流控制适用场合大功率场合可恒定（平均电流控制）可变化（如滞环控制）开关频率控制方法三种滞环电流控制CCMBOOSTPFC控制模式——CRM开关频率不固定BCMBCM特点：特点：可获得单位功率因数1适用中小功率场合导通时间固定使电感电流始终处于BCM模式BOOSTPFC控制模式——DCMDCMDCM特点特点1、占空比近似不变时电感电流的峰值与输入电压成正比。2、输入电流波形自然跟随输入电压波形3、功率管峰值电流大PFC的控制方法:连续模式的控制方法峰值电流控制滞环控制方法平均电流控制讨论的内容一、连续模式的电感设计二、临界连续模式电感设计1、确定输出电压连续模式的电感设计输出电压可以选择390~410VV)(45.37322.1220max=××=pU输入电压220V，50Hz，变化范围是额定值的20%(Δ=20)，最高峰值电压是：（1）输入电网电压变化范围（Uin±Δ%）（2）输出电压高于输入最高电压的峰值（3）输出电压一般是输入最高峰值的1.05~1.1倍例如1、确定输出电压连续模式的电感设计V)(45.37322.1220max=××=pUiui1uliLSsRDCLRoUPWM比较器电流误差放大器电压误差放大器乘法器驱动KsVmoirUmUPFC控制IC（Uin±Δ%）)V(410~3900=U2、确定最大输入电流连续模式的电感设计（1）电感应当在最大电流时避免饱和。（2）最大电流发生在输入电压最低，并且输出功率最大时。ηminmaxioiUPI=)%100(minΔ−=iniUU%95≈ηoooIUP=iui1uliLSsRDCLRoUPWM比较器电流误差放大器电压误差放大器乘法器驱动KsVmoirUmUPFC控制IC3、确定工作频率连续模式的电感设计功率器件效率输出功率等级工作频率例如输出功率1500W功率管为MOSFET开关频率70~100kHz4.确定最低输入电压峰值时最大占空度（1）根据Boost电路的公式，占空度最大发生在什么时候？)1/(DUUio−=oimimopUUUD2max−=最大占空度输入电压最小（峰值）（2）极限情况，不应造成输入电流失真。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。5、求需要的电感量连续模式的电感设计tILUΔΔ=电感中电流波形ΔΙtILUΔΔ=5、求需要的电感量连续模式的电感设计IΔIΔtILUΔΔ=5、求需要的电感量连续模式的电感设计fTTTDonponpp•==maxmin02inpUTIL=ΔIfDULpiΔ=maxmin2fTTTDonponpp•==maxfDTponpmax=max22iIkI=Δ2.0~15.0=k电感电流变化量定义系数：6、利用AP法选择磁芯尺寸连续模式的电感设计ttt000UuibALmaxLmin0ITTonoffiiLBoost电路磁芯工作在磁化曲线的第一象限。AQiLiiU+-ubDCRL+-U0LBi6、利用AP法选择磁芯尺寸连续模式的电感设计小知识AP法选择磁芯:(2)求窗口面积Aw(1)求磁芯有效截面积AeweAAAP×=查表选磁芯型号fDTponpmax=eoniBANNTUΔ=ΔΦ=maxmin2BfNDUBNTUApionieΔ=Δ=maxminmaxmin22求Ae6、利用AP法选择磁芯尺寸连续模式的电感设计kBBIIi22max=Δ=Δ电感磁芯的工作在磁化曲线的第一象限kBB=Δ2求磁感应B的工作范围如果电感线性的6、利用AP法选择磁芯尺寸连续模式的电感设计())100(12左右οsBkBBB+=Δ+（C）最大输入电流不饱和kBB=Δ2损耗与温度的关系B的选择Boost电感特点（A）直流分量很大（B）磁芯损耗小于铜损耗6、利用AP法选择磁芯尺寸连续模式的电感设计wiwjkNIAmax=电流密度N匝导线的面积jINNAimax•=窗口系数磁芯窗口面积Aw求Aw6、利用AP法选择磁芯尺寸连续模式的电感设计jfBkkDIUjkNIBfNDUAAAPwpiiwipiwe222maxmaxminmaxmaxmin=⋅Δ==wiwjkNIAmax=BfNDUBNTUApionieΔ=Δ=maxminmaxmin22kBB=Δ25.0~3.0=wk窗口利用系数B的选择依据：小于B/(1+k)6、利用AP法选择磁芯尺寸连续模式的电感设计输出功率在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。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eBAILNΔΔ=临界Boost电感设计1、临界连续特征CRM电感设计电感电流峰值波络固定导通时间，变频控制以峰值控制法为例说明控制概念.CRM控制法（1）功率开关零电流导通（2）电感电流线性上升（3）当峰值电流达到跟踪的参考电流（正弦波）时开关关断，电感电流线性下降到零。（4）开关再次开通。1、临界连续特征CRM电感设计oniiTtILtUωωsin2sin2=oniiTILU=22ioiiiionUPLUPLULITη===或效率输出功率iui1uliLSsRDCLRoUPWM比较器电流误差放大器电压误差放大器乘法器驱动KsVmoirUmUPFC控制IC输入电流有效值输入电压有效值即输入功率导通时间与输入电压的平方成正比2、确定输出电压CRM电感设计电感的导通伏秒应当等于截止时伏秒oFipoonipTUUTU)(−=oipononipooonipoiponofUUTTUUUTUUUTTT−=−=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+−=+=11onipoipofTUUUT−=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。2、确定输出电压CRM电感设计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符号定义输入电压高，导通时间长，输入的电压低，导通时间短2minmaxionhonLiUTTU⎛⎞=⎜⎟⎝⎠例题CRM电感设计假定导通时间为:Ton=10μs;输入电压最小峰值：1.414Uimin/Uo=0.65;根据Uo=Ui/(1-D)得D=0.35如果输入电压在±20%范围变化;最低输入电压为220×0.8=176V;输出电压:Uo=1.414×220×0.8/0.65＝383V.周期为:T=Ton/D=10/0.35=28.57μs，频率f=1/28.75μs=35kHz。CRM电感设计在15°时，周期为12μs,相当于开关频率为83kHz在最高输入电压时，得到最高电压导通时间Tonh＝(0.8/1.2)2×TonL＝4.444μs，在峰值时的开关周期为T＝Tonh/(1-1.414×1.2×220/383)＝176μs，相当于开关频率为5.66kHz。电感电流峰值波络固定导通时间，变频控制如果将输出电压提高到410V(1)最低输入电压时开关周期为25.45μs，开关频率为39.3kHz。(2)15°时为11.864μs,开关周期为84.5kHz。(3)输入最高电压峰值时，周期为49.2μs,开关频率为20.3kHz。(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。CRM电感设计结论（1）提高输出电压，开关频率变化范围小，有利于输出滤波。（2）功率管和整流二极管要更高的电压定额，导通损耗和开关损耗增加。（3）220V±20%交流输入，一般选择输出电压为410V左右。（4）110V±20%交流输入，输出电压选择210V。CRM电感设计3、最大峰值电流CRM电感设计ηminmaxioiUPI=最大输入电流有效值电感中最大峰值电流ηmin0maxmax2222iipUPII==4、决定电感量CRM电感设计（1）开关频率应在20kHz以上，避免噪音。（2）最高输入电压峰值时，开关频率最低。假定最高输入电压峰值的开关周期为50μs。选择原则()oionhUUTT/21max−=()2minmax/iionhonLUUTT=ionLiITUL=取5、选择磁芯CRM电感设计磁芯选择原则应考虑最恶劣情况不饱和meonLiBNATU=min2最低电压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(CSmBBο最大磁通密度5、选择磁芯CRM电感设计NjIkAiwwmax=整个窗口铜的截面积NjIkAiwwmax=单根导线面积窗口系数maxiwwIjkAN=meonLiBNATU=min2wonLowmonLiiweBjkTPjkBTIUAAAP22maxmin===用AP法选择磁芯尺寸电感线圈圈数6、计算线圈匝数CRM电感设计emiABLINmax22=7、线圈导线截面积CRM电感设计jIAicumax=CRM电感设计例题例：输入220V±20%，输出功率200W，采用临界连续（CRM）,假定效率为0.95。解：输入最大电流为2.12208.095.0200minmax=××==ioiUPIη峰值电流38.322max==ipIIA38.322max==ipII临界模式电感设计例题设输出电压为410V，最高输入电压时最低频率为20kHz。即周期为50μs，因此，导通时间为()sUUTToionhμ47.4)410/2202.121(50/21max=××−=−=输入最低电压峰值时的导通时间sUUTTiionhonLμ1.1017626447.422minmax=⎟⎠⎞⎜⎝⎛×=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=临界模式电感设计例题开关周期为sUUTToiponμ7.25410/2208.0211.101=××−=−=mH48.1101.102.11766=××==−ionLiITUL需要的电感量临界模式电感设计例题7.104135.01480==N匝105=NmJLI9.1610382.348.132=××=−nHAL135=mH48.1如果采用磁粉芯，选用铁硅铝磁芯。电感系数电感选择77439,有效磁导率为60.需要的匝数为临界模式电感设计例题匝111=NeOlNIH2174.10414.12.11054.04.0=×××==ππ77439的平均磁路长度l=10.74cm，磁场强度为磁导率为60，H＝21Oe，当磁导率下降到