大学课件PFC电感计算

1、2021-10-212021-10-21http:/ 1pfcpfc电感计算电感计算2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 2ac/dcac/dc整流电路中电流波形整流电路中电流波形tuiiiiiui0uiiiuicospf 功率因数定义：功率因数定义：视在功率有功功率sppf视在功率有功功率sppf2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 3谐波电流对电网的危害谐波电流对电网的危害thd -total harmonic 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、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2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 4利用利用boostboost电路进行电路进行pfcpfc校正校正 211n2niithd2thd11pf电流相位与输入电压电流相位与输入电压保持同相位，保持同相位，pf为为1。总谐波失真率总谐波失真率输入电流实现正弦波，输入电流实现正弦波，使电流失真因数为使电流失真因数为0。 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目的校正

3、的目的2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 5研究对象的选择：研究对象的选择： 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，这儿由于时间关方式，后者用于断续模式，这儿由于时间关系只讨论系只讨论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buckboostflybacksepiccuk2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 6连续模式（c

4、cm）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)小知识小知识2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 7boost pfcboost pfc控制模式控制模式ccmccm（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（3）平均电流控制）平均电流控制适用场合适用场合大功率场合大功率场合可恒定（

5、平均电流控制）可恒定（平均电流控制）可变化（如滞环控制）可变化（如滞环控制）开关频率开关频率控制方法三种控制方法三种滞环电流滞环电流控制控制ccm2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 8boost pfcboost pfc控制模式控制模式crmcrm开关频率不固定开关频率不固定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使电感电流始终使电感电流始终处于处于bcm模式模式2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 9boost pfcboost

6、pfc控制模式控制模式dcmdcm1、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、功率管峰值电流大、功率管峰值电流大2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ : 连续模式的控制方法连续模式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2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 1、确定输出电压、确定输出电压 连续模式的电感设计连续模式的电感

7、设计 输出电压可以选择输出电压可以选择390410vv)(45.37322 . 1220maxpu输入电压输入电压220v，50hz，变化范围是额定值的，变化范围是额定值的20%(=20)， 最高峰值电压是：最高峰值电压是： （1）输入电网电压变化范围）输入电网电压变化范围（u in %）（2）输出电压高于输入最高电压的峰值）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）输出电压一般是输入最高峰值的1.051.1倍倍例如例如2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 1、确定输出电压、确定输出电压 连续模式的电感设计连续模式的电

8、感设计v)(45.37322 . 1220maxpu（u in %）)v(4103900u2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 2、确定最大输入电流、确定最大输入电流 连续模式的电感设计连续模式的电感设计（1 1）电感应当在最大电流时避免饱和。）电感应当在最大电流时避免饱和。（2 2）最大电流发生在输入电压最低，并且）最大电流发生在输入电压最低，并且输出功率最大时。输出功率最大时。minmaxioiupi)%100(mininiuu%95oooiup 2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 3

9、、确定工作频率、确定工作频率 连续模式的电感设计连续模式的电感设计功率器件功率器件效率效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70100khz2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 4. 4. 确定最低输入电压峰值时最大占空度确定最低输入电压峰值时最大占空度（1 1）根据）根据boostboost电路的公式，占空度最大发生在电路的公式，占空度最大发生在什么时候？什么时候？)1/(duuiooimimopuuud2max最大占空度输入电压最小（峰值）（2）极限情况，

10、不应造成输入电流失真。）极限情况，不应造成输入电流失真。输出电压输出电压u0太低，在最高输入电压峰值时占空度太低，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，造成入电流不能跟踪输入电压，造成thd加大。加大。 2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 5、求需要的电感量、求需要的电感量 连续模式的电感设计连续模式的电感设计tilu电感中电流波形电感中电流波形 tilu2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 5

11、、求需要的电感量、求需要的电感量 连续模式的电感设计连续模式的电感设计iitilu2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 5、求需要的电感量、求需要的电感量 连续模式的电感设计连续模式的电感设计ftttdonponppmaxmin02inputilifdulpimaxmin2ftttdonponppmaxfdtponpmaxmax22iiki 2 . 015. 0k电感电流变化量定义系数：定义系数：2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 6、利用、利用apap法选择磁芯尺寸法选择磁芯尺寸 连续模

12、式的电感设计连续模式的电感设计ttt000uuibalmaxlmin0ittonoffiilboost电路磁芯工作在电路磁芯工作在磁化曲线的第一象限。磁化曲线的第一象限。aqiliiu+-ubdcrl+-u0lbi2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 6、利用、利用apap法选择磁芯尺寸法选择磁芯尺寸 连续模式的电感设计连续模式的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 eweaaap查表选磁芯型号查表选磁芯型号fdtponpmaxeonibanntumaxmin2b

13、fndubntuapioniemaxminmaxmin22求a e2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 连续模式的电感设计kbbiii22max电感磁芯的工作在电感磁芯的工作在磁化曲线的第一象限磁化曲线的第一象限kbb2求磁感应求磁感应b的工作范围的工作范围如果电感线性的如果电感线性的2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 连续模式的电感设计 )100(12左右sbkbbb（c）最大输入电流不饱和）最大输入电流不饱和kbb2损耗损耗与温与温度的度的关系关系b的选择的选择boost电感特点电感特

14、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2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 连续模式的电感设计 wiwjkniamax电流密度电流密度n匝导线的面积匝导线的面积jinnaimax窗口系数窗口系数磁芯窗口磁芯窗口面积面积aw求求aw2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 连续模式的电感设计 jfbkkdiujknibfnduaaapwpiiwipiwe222maxmaxminmaxmaxminwiwjkniamaxbfndubntuapioniemaxmi

15、nmaxmin22kbb25 . 03 . 0wk窗口利窗口利用系数用系数b的选择依据：的选择依据：小于b/(1+k) 2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 连续模式的电感设计 输出功率在输出功率在1kw1kw以上，一般采用气隙磁芯。以上，一般采用气隙磁芯。 因环形磁粉芯价格高，且加工困难。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，这在工艺上应当线圈，造成附加损耗，这在工艺上应当注意的。注意的。2021-10-212021-10-21http:/www.docin.

16、cohttp:/ 7、计算匝数、计算匝数ebailn2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 1、临界连续特征、临界连续特征 crmcrm电感设计电感设计 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.crm控制法控制法（1）功率开关零电流导通）功率开关零电流导通（2）电感电流线性上升）电感电流线性上升（3）当峰值电流达到）当峰值电流达到跟踪的参考电流（正弦跟踪的参考电流（正弦波）时开关关断，电感波）时开关关断，电感电流线性下降到零。电流线性下降到零。（4）开

17、关再次开通。）开关再次开通。2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 1、临界连续特征、临界连续特征 crmcrm电感设计电感设计 oniittiltusin2sin2oniitilu 22ioiiiionupluplulit或或效率输出功率输入电流输入电流有效值有效值输入电压输入电压有效值有效值即即输入功率导通时间与输入电压的平方成正比2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 2、确定输出电压、确定输出电压 crmcrm电感设计电感设计 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

18、伏秒ofipooniptuutu)(oipononipooonipoiponofuuttuuutuuuttt11onipoipoftuuut输出电压输出电压u o一定大于输入电压一定大于输入电压u ip，如果输，如果输出电压接近输入电压，在输入电压峰值附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，开关周期近，截止时间远大于导通时间，开关周期很长，即频率很低。很长，即频率很低。2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 2、确定输出电压、确定输出电压 crmcrm电感设计电感设计 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

19、压minmax:ionlionhutut符号定义输入电压高，导输入电压高，导通时间长，输入通时间长，输入的电压低，导通的电压低，导通时间短时间短2minmaxionhonliuttu2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ crcrmm电感设计电感设计 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.

20、65383v.周期为:t=ton/d=10/0.35=28.57s，频率f=1/28.75s=35khz。2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 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2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ (1)最低输入电压时开关周期为2

21、5.45s，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电感设计电感设计2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 3、最大峰值电流、最大峰值电流 crmcrm电感设计电感设计 minmaxioiupi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m

22、in0maxmax2222iipupii2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 4、决定电感量、决定电感量 crcrmm电感设计电感设计 （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。（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定最高输入电压峰值的开关周期为50s。 选择原则oionhuutt/21max2minmax/iionhonluuttionliitul 取2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:

23、/ 5、选择磁芯、选择磁芯 crcrmm电感设计电感设计 磁芯选择原则应考虑最恶劣情况不饱和meonlibnatumin2最低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(csmbb最大磁通密度最大磁通密度2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 5、选择磁芯、选择磁芯 crcrmm电感设计电感设计 njikaiwwmax 整个窗口整个窗口铜的截面积铜的截面积 njikaiwwmax单根导线面积窗口系数窗口系数maxiwwijkan meonlibnatumin2wo

24、nlowmonliiwebjktpjkbtiuaaap22maxmin用用ap法选择磁芯尺寸法选择磁芯尺寸 电感线圈圈数2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ crmcrm电感设计电感设计 emiablinmax222021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 7、线圈导线截面积、线圈导线截面积 crmcrm电感设计电感设计 jiaicumax2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 例题例题例：输入例：输入220v20%，输出功率，输出功率200w，采

25、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2.12208.095.0200minmaxioiupi峰值电流38. 322maxipiia38. 322maxipii2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 例题例题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suuttoionh47. 4)410/2202 . 121 (50/21max输入最低电压峰值时的导通时间suuttiionhonl1 .

26、1017626447. 422minmax2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 例题例题开关周期为开关周期为suuttoipon7 .25410/2208 . 0211 .101mh48. 1101 .102 . 11766ionliitul需要的电感量需要的电感量 2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 例题例题7 .104135. 01480n匝105nmjli9 .1610382. 348. 132nhal135mh48. 1如果采用磁粉芯，选用铁硅铝磁芯。如果采用磁粉芯，选用铁硅铝磁芯

27、。电感系数电感系数电感电感选择选择77439,有效磁导率为有效磁导率为60.需要的匝数为需要的匝数为2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 例题例题匝111neolnih2174.10414. 12 . 11054 . 04 . 0 77439的平均磁路长度的平均磁路长度l=10.74cm，磁场，磁场强度为强度为 磁导率为磁导率为60，h21oe，当磁导率下，当磁导率下降到降到90%时，为了在给定峰值电流时时，为了在给定峰值电流时保持给定电感量，需增加匝数为：保持给定电感量，需增加匝数为：匝6 .1109 . 01105n2021-10-212

28、021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 例题例题此时磁场强度h11121/10522.2oe，下降到0.88,此时电感量：mhhanll464. 1146411188. 0135. 022满足设计要求。最高电压时开关频率提高大约1%。应当注意到这里使用的是平均电流，实际峰值电流大一倍，最大磁场强度大一倍，从图上得到磁导率下降到80%，磁场强度从零到最大，平均磁导率为（0.81）/2=0.9，接近0.88。 2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 例题例题选取电流密度j=5a/mm2，导线尺寸为：选择：核算窗口利用系数:mmjid619. 042 . 113. 113. 108. 027. 410312. 01112wcuwaankmmd63. 0mmd70. 02312. 0mmacu227. 4cmaw则:2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 例题例题mmod6 .47mmid3 .2377439铁硅铝粉芯外径内径考虑第一层9 .9615 . 105. 05 . 01ddidnm实际96匝 第二层只要15匝。 2021-10-212021-10-21http:/www.docin.cohttp:/ 一般来讲连续模式有：峰值电