PFC電感計算詳解

PFC電感計算詳解通常Boost功率電路的PFC有三種工作模式：連續(xù)、臨界連續(xù)和斷續(xù)模式?？刂品绞绞禽斎腚娏鞲欇斎腚妷骸＿B續(xù)模式有峰值電流控制，平均電流控制和滯環(huán)控制等。連續(xù)模式的基本關(guān)系：確定輸出電壓Uo輸入電網(wǎng)電壓一般都有一定的變化范圍(Uin±Δ%)，為了輸入電流很好地跟蹤輸入電壓，Boost級的輸出電壓應當高于輸入最高電壓的峰值，但因為功率耐壓由輸出電壓決定，輸出電壓一般是輸入最高峰值電壓的1.05~1.1倍。例如，輸入電壓220V，50Hz交流電，變化范圍是額定值的20%(Δ二20)，最高峰值電壓是220×1.2×1.414=373.45V。輸出電壓可以選擇390~410V。決定最大輸入電流電感應當在最大電流時避免飽和。最大交流輸入電流發(fā)生在輸入電壓最低，同時輸出功率最大時其中：Uimin—最低輸入電壓；η—Boost級效率，通常在95%以上。決定工作頻率由功率器件，效率和功率等級等因素決定。例如輸出功率1.5kW，功率管為MOSFET，開關(guān)頻率70~100kHz。決定最低輸入電壓峰值時最大占空度因為連續(xù)模式Boost變換器輸出Uo與輸入Uin關(guān)系為，所以從上式可見，如果Uo選取較低，在最高輸入電壓峰值時對應的占空度非常小，由于功率開關(guān)的開關(guān)時間限制(否則降低開關(guān)頻率)，可能輸入電流不能跟蹤輸入電壓，造成輸入電流的THD加大。求需要的電感量為保證電流連續(xù)，Boost電感應當大于其中：，k=0.15~0.2。利用AP法選擇磁芯尺寸根據(jù)電磁感應定律，磁芯有效截面積如果電感是線性的，有因為Boost電感直流分量很大，磁芯損耗小于銅損耗，飽和磁通密度限制最大值。為保證在最大輸入電流時磁芯不飽和，應當有因此，面積乘積其中kw=0.3?0.5窗口填充系數(shù)，也稱為窗口利用系數(shù)°B《B/(1+k)。由此選擇磁芯。輸出功率在1kW以上，一般采用氣隙磁芯。因環(huán)形磁粉芯價格高，且加工困難，成本高。但是氣隙磁芯在氣隙附近邊緣磁通穿過線圈，造成附加損耗，這在工藝上應當注意的。通常Boost功率電路的PFC有三種工作模式：連續(xù)、臨界連續(xù)和斷續(xù)模式?？刂品绞绞禽斎腚娏鞲欇斎腚妷?。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。連續(xù)模式的基本關(guān)系：確定輸出電壓Uo輸入電網(wǎng)電壓一般都有一定的變化范圍（Uin±Δ%）,為了輸入電流很好地跟蹤輸入電壓，Boost級的輸出電壓應當高于輸入最高電壓的峰值，但因為功率耐壓由輸出電壓決定，輸出電壓一般是輸入最高峰值電壓的1.05~1.1倍。例如，輸入電壓220V，50Hz交流電，變化范圍是額定值的20%（Δ二20），最高峰值電壓是220×1.2×1.414=373.45V。輸出電壓可以選擇390~410V。決定最大輸入電流電感應當在最大電流時避免飽和。最大交流輸入電流發(fā)生在輸入電壓最低，同時輸出功率最大時其中：Uimin—最低輸入電壓；η—Boost級效率，通常在95%以上。決定工作頻率由功率器件，效率和功率等級等因素決定。例如輸出功率1.5kW，功率管為MOSFET，開關(guān)頻率70~100kHz。決定最低輸入電壓峰值時最大占空度因為連續(xù)模式Boost變換器輸出Uo與輸入Uin關(guān)系為，所以從上式可見，如果Uo選取較低，在最高輸入電壓峰值時對應的占空度非常小，由于功率開關(guān)的開關(guān)時間限制（否則降低開關(guān)頻率），可能輸入電流不能跟蹤輸入電壓，造成輸入電流的THD加大。求需要的電感量為保證電流連續(xù)，Boost電感應當大于其中：，k=0.15~0.2。利用AP法選擇磁芯尺寸根據(jù)電磁感應定律，磁芯有效截面積如果電感是線性的，有因為Boost電感直流分量很大，磁芯損耗小于銅損耗，飽和磁通密度限制最大值。為保證在最大輸入電流時磁芯不飽和，應當有因此，面積乘積其中kw=0.3?0.5窗口填充系數(shù)，也稱為窗口利用系數(shù)°B《B/（1+k）。由此選擇磁芯。輸出功率在1kW以上，一般采用氣隙磁芯。因環(huán)形磁粉芯價格高，且加工困難，成本高。但是氣隙磁芯在氣隙附近邊緣磁通穿過線圈，造成附加損耗，這在工藝上應當注意的。計算匝數(shù)計算導線尺寸（略）臨界連續(xù)Boost電感設計臨界連續(xù)特征Boost功率開關(guān)零電流導通，電感電流線性上升。當峰值電流達到跟蹤的參考電流（正弦波）時開關(guān)關(guān)斷，電感電流線性下降。當電感電流下降到零時，開關(guān)再次導通。如果完全跟蹤正弦波，根據(jù)電磁感應定律有或其中：Ui、Ii為輸入電壓和電流有效值。在一定輸入電壓和輸入功率時，Ton是常數(shù)。當輸出功率和電感一定時，導通時間Ton與輸入電壓Ui的平方成反比。確定輸出電壓電感的導通伏秒應當?shù)扔诮刂箷r伏秒：則開關(guān)周期為可見，輸出電壓Uo一定大于輸入電壓Uip，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(guān)周期很長，即頻率很低。如果首先決定最低輸入電壓（Uimin）對應的導通時間為TonL，最高輸入電壓（Uimax）的導通時間為根據(jù)式（11）和（12）可以得到開關(guān)周期（頻率）與不同電壓比的關(guān)系。例如，假定導通時間為10μs，1.414Uimin/Uo=0.65，如果輸入電壓在±20%范圍變化，最低輸入電壓為220×0.8，輸出電壓為Uo=1.414×220×0.8/0.65=383V。周期為10/0.35=28.57μs，頻率為35kHz。在15°時，周期為12μs，相當于開關(guān)頻率為83kHz。在最高輸入電壓時，由式（12）得到最高電壓導通時間Tonh=（0.8/1.2）2×TonL=4.444μs，在峰值時的開關(guān)周期為T=Tonh/（1-1.414×1.2×220/383）=176μs，相當于開關(guān)頻率為5.66kHz。如果我們。輸出電壓提高到410V，最低輸入電壓時開關(guān)周期為25.45μs，開關(guān)頻率為39.3kHz。15°時為11.864μs，開關(guān)周期為84.5kHz。輸入最高電壓峰值時，周期為49.2μs，開關(guān)頻率為20.3kHz。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(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，卻為18倍。通過以上計算可以看到，提高輸出電壓，開關(guān)頻率變化范圍小，有利于輸出濾波。但是功率管和整流二極管要更高的電壓定額，導通損耗和開關(guān)損耗增加。因此，220V±20%交流輸入，一般選擇輸出電壓為410V左右。110V±20%交流輸入，輸出電壓選擇210V。最大峰值電流最大輸入電流電感中最大峰值電流是峰值電流的1倍決定電感量為避免音頻噪聲，在輸入電壓范圍內(nèi)，開關(guān)頻率應在20kHz以上。從以上分析可知，在最高輸入電壓峰值時，開關(guān)頻率最低。故假定在最高輸入電壓峰值的開關(guān)周期為50μs.由式（11）求得由式（12）得到最低輸入電壓導通時間根據(jù)式（8）得到選擇磁芯因為導通時間隨輸入電壓平方成反比，因此應當在最低電壓下選擇磁芯尺寸，只要在最低輸入電壓峰值時避免飽和。其中：N一電感線圈匝數(shù)；Ae-磁芯有效截面積；Bm《Bs（100）—最大磁通密度，為減少損耗，選擇飽和磁感應的70%。整個窗口銅的截面積將式（17）代入（16），整理得到用AP法選擇磁芯尺寸。計算線圈匝數(shù)線圈導線截面積例：輸入220V±20%，輸出功率200W，采用臨界連續(xù)。假定效率為0.95.解：輸入最大電流為峰值電流為設輸出電壓為410V，最高輸入電壓時最低頻率為20kHz。即周期為50μs，因此，導通時間為如果采用磁粉芯，選用鐵硅鋁磁芯。LI2=1.48×3.382×10-3=16.9mJ，選擇77439。有效磁導率為60，其電感系數(shù)AL=135nH，電感1.48mH需要的匝數(shù)為匝取N=105匝77439的平均磁路長度l=10.74cm，磁場強度（Oe）為由圖得到磁導率為60，H=21Oe，磁導率下降到90%，為了在給定峰值電流時保持給定電感量，需增加匝數(shù)為N匝，選取111匝。此時磁場強度H=111×21/105=22.2Oe，μ下降到0.88，此時電感量滿足設計要求。最高電壓時開關(guān)頻率提高大約1%。應當注意到這里使用的是平均電流，實際峰值電流大一倍，最大磁場強度大一倍，從圖上得到磁導率下降到80%，磁場強度從零到最大，平均磁導率為（0.8+1）/2=0.9，接近0.88。選取電流密度j=5