PFC電感計算詳解

發(fā)布時間：2011-10-26 13:32 發(fā)布者：1640190015

關鍵詞： PFC , 電感 , 計算

　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。控制方式是輸入電流跟蹤輸入電壓。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)模式的基本關系：
　　1. 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=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。
　　2. 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。
　　3. 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，開關頻率70~100kHz。
　　4. 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，由于功率開關的開關時間限制（否則降低開關頻率），可能輸入電流不能跟蹤輸入電壓，造成輸入電流的THD加大。
　　5. 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。
　　6. 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。
　7. 計算匝數(shù)

　　8. 計算導線尺寸（略）
　　臨界連續(xù)Boost電感設計
　　1. 臨界連續(xù)特征
　　Boost功率開關零電流導通，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）時開關關斷，電感電流線性下降。當電感電流下降到零時，開關再次導通。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。
　　2. 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）可以得到開關周期（頻率）與不同電壓比的關系。
　　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，在峰值時的開關周期為T＝Tonh/（1-1.414×1.2×220/383）＝176μs，相當于開關頻率為5.66kHz。
　　如果我們。輸出電壓提高到410V，最低輸入電壓時開關周期為25.45μs，開關頻率為39.3kHz。15°時為11.864μs，開關周期為84.5kHz。輸入最高電壓峰值時，周期為49.2μs，開關頻率為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。
　　3. 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

　　4. 決定電感量
　　為避免音頻噪聲，在輸入電壓范圍內(nèi)，開關頻率應在20kHz以上。從以上分析可知，在最高輸入電壓峰值時，開關頻率最低。故假定在最高輸入電壓峰值的開關周期為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

　　5. 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－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。
　　6. 計算線圈匝數(shù)

　　7. 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=5A/mm2，導線尺寸為

　　選擇d=0.63mm，d’=0.70mm，截面積Acu＝0.312mm2。
　　核算窗口利用系數(shù)。Aw＝4.27cm2，則

　　77439鐵硅鋁粉芯外徑OD＝47.6mm，內(nèi)徑ID＝23.3mm。考慮第一層
　　Nm1=（π（ID-0.5d’-0.05）/1.05d’）-1=96.9 實際96匝。
　　第二層只要15匝。

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