PFC电感计算

03:13PFC1PFC电感计算南京航空航天大学周洁敏[e-mail]03:13PFC2引言PFC校正功率因数校正即PFC是十几年电源技术进步的重大领域，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。03:13PFC3AC/DC整流电路中电流波形tuiiiiiui0uiiiUICOSPF电路中功率因数定义：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引起。03:13PFC4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03:13PFC5名词术语与PFC校正任务211n2nIITHD2THD11PF同相位：电流与电压相位相同，PF=1。总谐波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。03:13PFC6PFC校正电路的选择一般以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buckboostFlybackSEPICCuk03:13PFC7BoostPFC控制模式BoostPFC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03:13PFC8Boost电路的PFC控制模式——CCMCCM基本特征（3）平均电流控制常用的控制方法可变化: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03:13PFC9PFC的控制方法:CCM的控制方法峰值电流控制滞环控制方法平均电流控制03:13PFC10BOOSTPFC控制模式——CRM开关频率可变，峰值处最低CRM（BCM）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电感电感电流始终处于CRM模式03:13PFC11BOOSTPFC控制模式——DCMDCM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、代价：功率管峰值电流大。03:13PFC12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03:13PFC131、确定输出电压CCM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U输入220V，50Hz，变化范围是额定值的20%(Δ=20)输出电压高于输入最高电压的峰值。输出电压一般是输入最高峰值电压的1.05~1.1倍。最高峰值电压03:13PFC142、确定最大输入电流CCM的电感设计最大电流发生在输入电压最低，输出功率最大时。minmaxioiUPI)%100(mininiUU%95oooIUP设计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03:13PFC153、确定工作频率CCM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70~100kHz03:13PFC164.确定最低输入电压峰值时的最大占空度根据Boost电路的公式)1/(DUUiooimimopUUUD2max最大占空度输入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03:13PFC175、求需要的电感量CCM的电感设计tILU跟踪的是输入电流平均值电感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03:13PFC185、求需要的电感量CCM的电感设计另外两种控制方法也类似。tILUL03:13PFC195、求需要的电感量CCM的电感设计15.0~1.0kmin2ionpUTILfTTTDonponppmaxfDTponpmaxmax22iIkI定义电感纹波电流与峰值电流的比例系数LPIIk2/取IfDULpimaxmin2即03:13PFC206、利用AP法选择磁芯尺寸CCM模式电感设计小知识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eoniBANNTUmaxmin2BfNDUBNTUApioniemaxminmaxmin22求磁芯有效截面积AefDTponmaxmax其中03:13PFC216、利用AP法选择磁芯尺寸连续模式的电感设计)100(12左右sBkBBB（C）最大输入电流不饱和kBB2损耗与温度的关系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03:13PFC226、利用AP法选择磁芯尺寸连续模式的电感设计wiwjkNIAmaxN匝导线的面积jINNAimax窗口系数磁芯窗口面积Aw求窗口面积AwA=area电流密度03:13PFC236、利用AP法选择磁芯尺寸连续模式的电感设计jfBkkDIUjkNIBfNDUAAAPwpiiwipiew222maxmaxminmaxmaxminwiwjkNIAmaxBfNDUBNTUApioniemaxminmaxmin225.0~3.0wkB/(1+k)BBk2保证任何情况下磁芯不饱和使用。03:13PFC247、计算匝数eBAILN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电感计算。03:13PFC25二、临界Boost电感设计03:13PFC26临界连续特征CRM电感设计方法一CRM控制法（1）功率开关零电流导通电感电流线性上升。（2）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。（3）开关再次开通。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.03:13PFC27临界连续特征CRM电感设计方法一电感电流峰值波络固定导通时间，变频控制LUTiionon2iiLPUPImax22LUUTiioffoff)2(0)sin2(220maxtUUULPTiiioff2max2iionULPT)sin2(220maxtUUULPTiiioff00max2)sin2(1LUtUUPTTfiioffonsmax0min022)2(iiiPUfUUUL为什么？03:13PFC28临界连续特征CRM电感设计方法一电感电流峰值波络固定导通时间，变频控制因此选择正弦交流输入的峰值点设计，开关频率最小，正弦值等于1，所以得到电感的表达式。对于给定输入电压和负载，开关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03:13PFC29临界连续特征CRM电感设计方法二offiooniTUUTU)(onioioffTUUUT方法二的理论依据：电感的导通伏秒应当等于截止时伏秒应当注意：输出电压Uo一定大于输入电压Ui，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oiononiooonioionoffsUUTTUUUTUUUTTT1103:13PFC30临界连续特征CRM电感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符号定义输入电压高，导通时间短，输入的电压低，导通时间长2minmaxionhonLiUTTU电感电流峰值波络固定导通时间，变频控制03:13PFC31最大峰值电流CRM电感设计方法二minmaxioiUPI最大输入电流有效值电感中最大峰值电流minmaxmax2222ioipUPII03:13PFC32决定电感量CRM电感设计方法二（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。电感选择原则oionhUUTT/21max2minmax/iionhonLUUTTionLiITUL（1）开关频率应在20kHz以上，避免噪音。03:13PFC33磁芯的选择03:13PFC34选择磁芯CRM电感设计方法磁芯选择原则应考虑最恶劣情况下磁芯不饱和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(CSmBB最大磁通密度03:13PFC35选择磁芯CRM电感设计monLieNBTUAmin2jkNIAwiwmax整个窗口铜线的截面积maxiwwIjkANwonLowmonLiiweBjkTPjkBTIUAAAP22maxmin用AP法选择磁芯尺寸电感线圈圈数NjIkAiwwmax窗口系数单根导线面积03:13PFC36计算线圈匝数CRM电感设计emiABLINmax22jIAicumax线圈导线截面积03:13PFC37PFC的电感计算方法总结（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。03:13PFC38PFC的电感计算方法总结（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面积，再查表选择磁芯。初步设计后并核算窗口利用系数。（4）磁性材料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等条件下选择BS。03:13PFC39PFC电感设计03:13PFC40附录附录1常规Boost电路工作的三种模式附录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03:13PFC41附录1：常规Boost电路工作的三种模式AQiLiiU+-ubDCRL+-U0LBittt000UuibALmaxLmin0ITTonoffiiL0i0ILitTonTof')1/(DUUio0iLTonTofi0ITt'03:13PFC42附录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03:13PFC43附录3例子说明CRM电感设计方法二假定导通时间为: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=1/28.57μs=35kHz。电感电流峰值波络固定导通时间，变频控制03:13PFC44附录3例子说明CRM电感设计方法二在15°时，周期为12μs,相当