经典PFC电感设计

1、2021-7-52021-7-5LongmanLongman1 1 PFCPFC电感计算电感计算 南京航空航天大学南京航空航天大学 周洁敏周洁敏 2021-7-52021-7-5LongmanLongman2 2 引言引言 PFCPFC校正校正 功率因数校正即功率因数校正即PFC是十几年电源技是十几年电源技 术进步的重大领域，它的基本原理是：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）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）保证电流相位与输入电压相位同相 位

2、，相移因数位，相移因数1。 （3）最终实现）最终实现PF=1的设计工作目标。的设计工作目标。 2021-7-52021-7-5LongmanLongman3 3 AC/DCAC/DC整流电路中电流波形整流电路中电流波形 t ui ii ii ui 0 u ii i U I COSPF 电路中功率因数定义：电路中功率因数定义： 视在功率 有功功率 S P PF 视在功率 有功功率 S P PF 二极二极 管的管的 非线非线 性特性特 性引性引 起。起。 2021-7-52021-7-5LongmanLongman4 4 谐波电流对电网的危害谐波电流对电网的危害 THD -Total Harmon

3、ic Distortion小知识小知识 (1)对电网产生谐波污染对电网产生谐波污染 （2）造成谐波压降）造成谐波压降 （3）正弦电压波形畸变）正弦电压波形畸变 （4）产生电路故障，）产生电路故障， 变电设备损坏。变电设备损坏。 谐波的危害谐波的危害 2021-7-52021-7-5LongmanLongman5 5 名词术语与名词术语与PFCPFC校正任务校正任务 2 1 1n 2 n I I THD 2 THD1 1 PF 同相位：电流与电压同相位：电流与电压 相位相同，相位相同，PF=1。 总谐波失真率总谐波失真率 功率因数与功率因数与 失真度的关系失真度的关系 功率因数功率因数 校正的任

4、校正的任 务与目的务与目的 正弦化：电流失真正弦化：电流失真 因数因数THD=1。 2021-7-52021-7-5LongmanLongman6 6 PFCPFC校正电路的选择校正电路的选择 一般以一般以Boost 电路和反激式电路为讨论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，由于时间关系只方式，后者用于断续模式，由于时间关系只 讨论讨论Boost电路电感的计算与设计。电路电感的计算与设计。 PFC校正电路有校正电路有 buck boost Flyback SEPIC Cuk 2021-7-52021-7-

5、5LongmanLongman7 7 连续模式（CCM） 临界模式（CRM,BCM） 断续模式（DCM） CCM( Continuous Current Mode) BCM (Boundary Conduction Mode) CRM( Critical Conduction Mode) DCM (Discontinuous Current Mode) 小小 知知 识识 2021-7-52021-7-5LongmanLongman8 8 BoostBoost电路的电路的PFCPFC控制模式控制模式CCMCCM （3）平均电流控制）平均电流控制 常用的常用的 控制控制 方法方法 可变化可变化:

6、: 滞环电流控制滞环电流控制 峰值电流控制峰值电流控制 开关开关 频率频率 适用场合适用场合大功率场合大功率场合 可恒定（平均电流控制）可恒定（平均电流控制） （1）峰值电流控制）峰值电流控制 （2）滞环电流控制）滞环电流控制 2021-7-52021-7-5LongmanLongman9 9 PFCPFC的控制方法的控制方法: : CCMCCM的控制方法的控制方法 峰值电峰值电 流控制流控制 滞环控制方法滞环控制方法平均电平均电 流控制流控制 2021-7-52021-7-5LongmanLongman1010 BOOST PFCBOOST PFC控制模式控制模式CRMCRM 开关频率可变，

7、开关频率可变， 峰值处最低峰值处最低 可获得单位功率因数可获得单位功率因数1 1 适用中小功率场合适用中小功率场合 导通时间固定导通时间固定 电感电感电流始电感电感电流始 终处于终处于CRM模式模式 2021-7-52021-7-5LongmanLongman1111 BOOST PFCBOOST PFC控制模式控制模式DCMDCM 1、占空比近似不变、占空比近似不变 时电感电流的峰值时电感电流的峰值 与输入电压成正比。与输入电压成正比。 2、输入电流波形自然、输入电流波形自然 跟随输入电压波形跟随输入电压波形 3、代价：功率管峰、代价：功率管峰 值电流大。值电流大。 2021-7-52021

8、-7-5LongmanLongman1212 讨论的内容讨论的内容 一、连续模式的电感设计一、连续模式的电感设计 二、临界连续模式电感设计二、临界连续模式电感设计 2021-7-52021-7-5LongmanLongman1313 1 1、确定输出电压、确定输出电压 CCMCCM的电感设计的电感设计 V)(45.37322 . 1220 max p U （U in %）)V(410390 0 U 输入输入220V，50Hz，变化范，变化范 围是额定值的围是额定值的20%(=20) 输出电压高于输输出电压高于输 入最高电压的峰入最高电压的峰 值。值。 输出电压一般是输出电压一般是 输入最高峰值

9、电输入最高峰值电 压的压的1.051.1倍。倍。 最高峰值电压最高峰值电压 2021-7-52021-7-5LongmanLongman1414 2 2、确定最大输入电流、确定最大输入电流 CCMCCM的电感设计的电感设计 最大电流发生在输入电压最大电流发生在输入电压 最低，输出功率最大时。最低，输出功率最大时。 min max i o i U P I )%100( min ini UU %95 ooo IUP 设计设计 要点要点 电感在最大电流时避免饱和电感在最大电流时避免饱和 最大输入电流最大输入电流 式中三个参数式中三个参数 2021-7-52021-7-5LongmanLongman1

10、515 3 3、确定工作频率、确定工作频率 CCMCCM的电感设计的电感设计 功率器件功率器件 效效 率率 输出功率等级输出功率等级 工工 作作 频频 率率 例如例如 输出功率输出功率 1500W 功率管为功率管为 MOSFET 开关频率开关频率 70100kHz 2021-7-52021-7-5LongmanLongman1616 4. 4. 确定最低输入电压峰值时的最大占空度确定最低输入电压峰值时的最大占空度 根据根据BoostBoost 电路的公式电路的公式 )1/(DUU io o imimo p U UU D 2 max 最大占最大占 空度空度 输入电压输入电压 最小峰值最小峰值 输

11、出电压输出电压U0太低，在最高输入电压峰值时占空度非常太低，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，造成能跟踪输入电压，造成THD加大。加大。 0 0 /1 /1 UUD UUD i i 2021-7-52021-7-5LongmanLongman1717 5 5、求需要的电感量、求需要的电感量 CCMCCM的电感设计的电感设计 t I LU 跟踪的跟踪的 是输入是输入 电流平电流平 均值均值 电感中电感中 电流波形电流波形 一般情况下：电感中的纹波一般情况下：电感中的纹波 电流等于峰值电流的

12、电流等于峰值电流的20%。 t I LU L 2021-7-52021-7-5LongmanLongman1818 5 5、求需要的电感量、求需要的电感量 CCMCCM的电感设计的电感设计 另外两种另外两种 控制方法控制方法 也类似。也类似。 t I LU L 2021-7-52021-7-5LongmanLongman1919 5 5、求需要的电感量、求需要的电感量 CCMCCM的电感设计的电感设计 15. 01 . 0k min 2 i onp U T I L fT T T D onp onp p max f D T p onp max max 22 i IkI 定义电感纹波电流与峰值电流

13、的比例系数定义电感纹波电流与峰值电流的比例系数 LP I I k 2/ 取取 If DU L pi maxmin 2 即即 2021-7-52021-7-5LongmanLongman2020 6 6、利用、利用APAP法选择磁芯尺寸法选择磁芯尺寸 CCMCCM模式电感设计模式电感设计 小知识小知识 AP法选择磁芯法选择磁芯: (2)求窗口面积求窗口面积Aw (1)求磁芯有效截面积求磁芯有效截面积A e we AAAP 查表选磁芯型号查表选磁芯型号 eoni BANNTU maxmin 2 BfN DU BN TU A pi oni e maxmin maxmin 2 2 求磁芯有效截面积A

14、e f D T p on max max 其中其中 2021-7-52021-7-5LongmanLongman2121 6、利用AP法选择磁芯尺寸 连续模式的电感设计 )100( 1 2 左右 s BkB B B （C）最大输入电流不饱和）最大输入电流不饱和 kB B 2 损耗损耗 与温与温 度的度的 关系关系 B的选择的选择 确定磁芯的工作情况前，确定磁芯的工作情况前， 先研究先研究Boost电感特点：电感特点： （A）直流分量很大）直流分量很大 （B）磁芯损耗小于铜损耗）磁芯损耗小于铜损耗 2021-7-52021-7-5LongmanLongman2222 6、利用AP法选择磁芯尺寸

15、连续模式的电感设计 w i w jk NI A max N匝导线匝导线 的面积的面积 j I NNA imax 窗口窗口 系数系数 磁芯窗口磁芯窗口 面积面积Aw 求窗口面积求窗口面积Aw A=area 电流密度电流密度 2021-7-52021-7-5LongmanLongman2323 6、利用AP法选择磁芯尺寸 连续模式的电感设计 jfBkk DIU jk NI BfN DU AAAP w pii w i pi ew 2 22 maxmaxmin max maxmin w i w jk NI A max BfN DU BN TU A pi oni e maxmin maxmin 2 2

16、5 . 03 . 0 w k B/(1+k) B B k 2 保证任何情保证任何情 况下磁芯不况下磁芯不 饱和使用。饱和使用。 2021-7-52021-7-5LongmanLongman2424 7 7、计算匝数、计算匝数 e BA IL N 上述就是以上述就是以Boost电路电路PFC校正电路为例，校正电路为例， 在连续电流模式情况下的在连续电流模式情况下的PFC电感计算。电感计算。 2021-7-52021-7-5LongmanLongman2525 二、临界二、临界Boost电感设计电感设计 2021-7-52021-7-5LongmanLongman2626 临界连续特征临界连续特征

17、 CRMCRM电感设计方法一电感设计方法一 CRM控制法控制法 （1）功率开关零电流导）功率开关零电流导 通电感电流线性上升。通电感电流线性上升。 （2）当峰值电流达到跟）当峰值电流达到跟 踪的参考电流（正弦波）踪的参考电流（正弦波） 时开关关断，电感电流时开关关断，电感电流 线性下降到零。线性下降到零。 （3）开关再次开通。）开关再次开通。 电感电流峰值波络电感电流峰值波络 固定导通时间，变频控制固定导通时间，变频控制 以峰值控制法以峰值控制法 为例说明控制为例说明控制 概念概念. 2021-7-52021-7-5LongmanLongman2727 临界连续特征临界连续特征 CRMCRM电

18、感设计方法一电感设计方法一 电感电流峰值波络电感电流峰值波络 固定导通时间，变频控制固定导通时间，变频控制 L UT i ion on 2 i i LP U P I max 22 L UUT i ioff off )2( 0 )sin2( 22 0 max tUUU LP T ii i off 2 max 2 i i on U LP T )sin2( 22 0 max tUUU LP T ii i off 0 0max 2 )sin2(1 LU tUUP TT f ii offon s max0min 0 2 2 )2( i ii PUf UUU L 为什么？为什么？ 2021-7-52021

19、-7-5LongmanLongman2828 临界连续特征临界连续特征 CRMCRM电感设计方法一电感设计方法一 电感电流峰值波络电感电流峰值波络 固定导通时间，变频控制固定导通时间，变频控制 因此选择正弦交流输入因此选择正弦交流输入 的峰值点设计，开关频的峰值点设计，开关频 率最小，正弦值等于率最小，正弦值等于1， 所以得到电感的表达式。所以得到电感的表达式。 对于给定输入电压和负对于给定输入电压和负 载，开关频率也是要随载，开关频率也是要随 着输入交流电压瞬时值着输入交流电压瞬时值 的变化而变化的。的变化而变化的。 max0min 0 2 2 )2( i ii PUf UUU L 2021

20、-7-52021-7-5LongmanLongman2929 临界连续特征临界连续特征 CRMCRM电感设计方法二电感设计方法二 offiooni TUUTU)( on io i off T UU U T 方法二的理论依据：方法二的理论依据： 电感的导通伏秒应当等于截止时伏秒电感的导通伏秒应当等于截止时伏秒 应当注意：输出电压应当注意：输出电压U o一定大于输入电压一定大于输入电压 U i，如果输出电压接近输入电压，在输入，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，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。开关周期很长，即频率很低。 开关周

21、期开关周期 oi on on io o on io i onoffs UU T T UU U T UU U TTT 1 1 2021-7-52021-7-5LongmanLongman3030 临界连续特征临界连续特征 CRMCRM电感设计方法二电感设计方法二 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 min max : : ionL ionh UT UT 符号符号 定义定义 输入电压高，导输入电压高，导 通时间短，输入通时间短，输入 的电压低，导通的电压低，导通 时间长时间长 2 min max i onhonL i U TT U 电感电流峰值波络电感电流峰值波络 固定导通时间

22、，变频控制固定导通时间，变频控制 2021-7-52021-7-5LongmanLongman3131 最大峰值电流最大峰值电流 CRMCRM电感设计方法二电感设计方法二 min max i o i U P I 最大输入最大输入 电流有效值电流有效值 电感中最大电感中最大 峰值电流峰值电流 min maxmax 22 22 i o ip U P II 2021-7-52021-7-5LongmanLongman3232 决定电感量决定电感量 CRCRMM电感设计方法二电感设计方法二 （2）最高输入电压峰值时，开关频率最低。）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假

23、定最高输入电压峰值的开关周期为50s。 电感选择原则电感选择原则 oionh UUTT/21 max 2 minmax / iionhonL UUTT i onLi I TU L （1）开关频率应在）开关频率应在20kHz以上，避免噪音。以上，避免噪音。 2021-7-52021-7-5LongmanLongman3333 磁芯的选择磁芯的选择 2021-7-52021-7-5LongmanLongman3434 选择磁芯选择磁芯 CRCRMM电感设计方法电感设计方法 磁芯选择原则应考虑最磁芯选择原则应考虑最 恶劣情况下磁芯不饱和恶劣情况下磁芯不饱和 meonLi BNATU min 2 最低

24、电压输入最低电压输入 峰值不饱和。峰值不饱和。 最大最大 为减少损耗，应选择饱和磁感应的为减少损耗，应选择饱和磁感应的70%。 )100(CS m BB 最大磁通密度最大磁通密度 2021-7-52021-7-5LongmanLongman3535 选择磁芯选择磁芯 CRCRMM电感设计电感设计 m onLi e NB TU A min 2 jk NI A w i w max 整个窗口铜整个窗口铜 线的截面积线的截面积 maxi ww I jkA N w onLo wm onLii we Bjk TP jkB TIU AAAP 22 maxmin 用用AP法选择磁芯尺寸法选择磁芯尺寸 电感线

25、圈圈数 N j I kA i ww max 窗口系数窗口系数单根导线面积 2021-7-52021-7-5LongmanLongman3636 计算线圈匝数 CRMCRM电感设计电感设计 em i AB LI N max 22 j I A i cu max 线圈导线截面积线圈导线截面积 2021-7-52021-7-5LongmanLongman3737 PFCPFC的电感计算方法总结的电感计算方法总结 （1）弄清所选择的控制方法）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流控制和滞环控制

26、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。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，）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。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，）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。遵循能量守恒

27、下电感电流不能突变的原则分析。 2021-7-52021-7-5LongmanLongman3838 PFCPFC的电感计算方法总结的电感计算方法总结 （5）利用）利用AP法计算，选择磁芯法计算，选择磁芯 计算磁芯的有效磁芯面积和磁芯窗口面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积，再查表选择磁芯。初步设计后并核算窗 口利用系数。口利用系数。 （4）磁性材料设计时应注意磁芯磁场的工）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、工作频率和工不饱和。并在考虑磁芯损耗、工作

28、频率和工 作温度等条件下选择作温度等条件下选择BS。 2021-7-52021-7-5LongmanLongman3939 PFCPFC电感设计电感设计 2021-7-52021-7-5LongmanLongman4040 附录附录 附录附录1 常规常规Boost电路工作的三种模式电路工作的三种模式 附录附录2 直流输入与交流输入模式比较直流输入与交流输入模式比较 附录附录3 例子说明例子说明 CRM电感设计电感设计 附录附录4 例题例题 CRM电感设计电感设计 2021-7-52021-7-5LongmanLongman4141 附录附录1 1：常规：常规BoostBoost电路工作的三种模

29、式电路工作的三种模式 A Q iL ii U + - ub D C RL + - U 0 L Bi t t t 0 0 0 U u i b A LmaxLmin 0 I TT on off ii L 0 i 0 I L i tTonTof )1/(DUU io 0 iL TonT of i 0 I T t 2021-7-52021-7-5LongmanLongman4242 附录附录2 2：直流输入与交流输入模式比较：直流输入与交流输入模式比较 三种电感电流模式三种电感电流模式 CCM CRM DCM CCM DCM DRM PFC电感电流形状电感电流形状 2021-7-52021-7-5Lo

30、ngmanLongman4343 附录附录3 3 例子说明例子说明 CRCRMM电感设计方法二电感设计方法二 假定导通时间为:Ton=10s; 输入电压最小峰值：1.414Uimin/ U o=0.65; 根据U o=Ui/(1-D) 得D=0.35 如果输入电压在如果输入电压在20%范围变化范围变化; 最低输入电压为最低输入电压为2200.8=176V; 输出电压输出电压: U o =1.4142200.8/0.65383V。 周期为:T=Ton/D=10/0.35=28.57s， 频率f=1/28.57s=35kHz。 电感电流峰值波络电感电流峰值波络 固定导通时间，变频控制固定导通时间，

31、变频控制 2021-7-52021-7-5LongmanLongman4444 附录附录3 3 例子说明例子说明 CRCRMM电感设计方法二电感设计方法二 在15时，周期为12s,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 T onh(0.8/1.2)2TonL4.444s， 在峰值时的开关周期为 TTonh/(1-1.4141.2220/383)176s， 相当于开关频率为5.66kHz。 电感电流峰值波络电感电流峰值波络 固定导通时间，变频控制固定导通时间，变频控制 2021-7-52021-7-5LongmanLongman4545 如果将输出电压提高到410V

32、(1)最低输入电压时开关周期为25.45s，开关频率 为39.3kHz。 (2)15时为11.864s,开关周期为84.5kHz。 (3)输入最高电压峰值时，周期为49.2s,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，开关频率约为止时间趋近零，开关频率约为100kHz。最高频率约为最。最高频率约为最 低频率只有低频率只有5倍。而在倍。而在383V输出电压时，却为输出电压时，却为18倍。倍。 附录附录3 例子说明例子说明 CRM电感设计方法二电感设计方法二 2021-7-52021-7-5Lon

33、gmanLongman4646 附录附录3 3 小结小结 CRCRMM电感设计方法二电感设计方法二 （1）提高输出电压，开关频率）提高输出电压，开关频率 变化范围小，有利于输出滤波。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）220V20%交流输入，一般选择交流输入，一般选择 输出电压为输出电压为410V左右。左右。 （4）110V20%交流输入，输出电压交流输入，输出电压 选择选择210V。 2021-7-52021-7-5LongmanLongman4747 附录附录4 4 例题例题 CRCRMM电感设计电感设计 例：输入例：输

34、入220V20%，输出功率，输出功率200W， 采用临界连续（采用临界连续（CRM）,假定效率为假定效率为0.95。 解：输入最大电流为 2.1 2208.095.0 200 min max i o i U P I 峰值电流 A38. 322 max ip II 2021-7-52021-7-5LongmanLongman4848 附录附录4 4 例题例题 CRCRMM电感设计电感设计 设输出电压为设输出电压为410V，最高输入电压时最低频率，最高输入电压时最低频率 为为20kHz。即周期为。即周期为50s，因此，导通时间为，因此，导通时间为 sUUTT oionh 47. 4)410/2202 . 121 (50/21 max 输入最低电压峰值时的导通时间 s U U TT i i onhonL 1 .10 176 264 47. 4 2 2 min max 2021-7-52021-7-5LongmanLongman4949 附录附录4 4 例题例题 CRCRMM电感设计电感设计 开关周期为开关周期为 mH48. 1101 .10 2 . 1 176 6 i onLi I TU L 需要的电感量需要的电感量 s UU T T oi on 7 .25 410/2208 . 021 1