PFC电感计算PPT课件

1、16:48PFC1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。第1页/共55页16:48PFC2AC/DC整流电路中电流波形tuiiiiiui0uiiiUICOSPF 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。第2页/共55页16:48PFC3谐波电流对电网的危害THD -Total Harmonic Distortion小知识(1)对电

2、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。谐波的危害第3页/共55页16:48PFC4名词术语与PFC校正任务 211n2nIITHD2THD11PF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。第4页/共55页16:48PFC5PFC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buckboostFlybackSEPICCuk第

3、5页/共55页16:48PFC6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)小知识第6页/共55页16:48PFC7Boost电路的PFC控制模式CCM（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）滞环电流控制第7页/共55页16:48PFC8P

4、FC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第8页/共55页16:48PFC9BOOST PFC控制模式CRM开关频率可变，峰值处最低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模式第9页/共55页16:48PFC10BOOST PFC控制模式DCM1、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。第10页/共55页16:48PFC11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第11页/共55页16:48PFC121 1、确定输出电压、确定输出电压 CCM的电

5、感设计V)(45.37322 . 1220maxpU（U in %）)V(4103900U输入220V，50Hz，变化范围是额定值的20%(=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1.051.1倍。最高峰值电压第12页/共55页16:48PFC132 2、确定最大输入电流、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(mininiUU%95oooIUP 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第13页/共55页16:48PFC143、确定工作频率 CCM的电感设计 功率器件效

6、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70100kHz第14页/共55页16:48PFC15 4. 4. 确定最低输入电压峰值时的最大占空确定最低输入电压峰值时的最大占空度度根据Boost电路的公式)1/(DUUiooimimopUUUD2max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第15页/共55页16:48PFC165 5、求需要的电感量、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

7、形一般情况下：电感中的纹波电流等于峰值电流的20%。tILUL第16页/共55页16:48PFC175 5、求需要的电感量、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第17页/共55页16:48PFC185 5、求需要的电感量、求需要的电感量 CCM的电感设计 15. 01 . 0kmin2ionpUTILfTTTDonponppmaxfDTponpmaxmax22iIkI 定义电感纹波电流与峰值电流的比例系数LPIIk2/取IfDULpimaxmin2即第18页/共55页16:48PFC196 6、利用、利用APAP法选择磁芯尺寸法选择磁芯尺寸 CCM模式电感设计小

8、知识AP法选择磁芯:(2)求窗口面积Aw(1)求磁芯有效截面积A eweAAAP查表选磁芯型号eoniBANNTUmaxmin2BfNDUBNTUApioniemaxminmaxmin22求磁芯有效截面积A efDTponmaxmax其中第19页/共55页16:48PFC206、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kBB2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第20页/共55页16:48PFC216、利用AP法选择磁芯尺寸 连续模式的电感设计 wiwjkNI

9、AmaxN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电流密度第21页/共55页16:48PFC226、利用AP法选择磁芯尺寸 连续模式的电感设计 jfBkkDIUjkNIBfNDUAAAPwpiiwipiew222maxmaxminmaxmaxminwiwjkNIAmaxBfNDUBNTUApioniemaxminmaxmin225 . 03 . 0wkB/(1+k) BBk2保证任何情况下磁芯不饱和使用。第22页/共55页16:48PFC237 7、计算匝数、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

10、计算。第23页/共55页16:48PFC24二、临界Boost电感设计第24页/共55页16:48PFC25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为例说明控制概念.第25页/共55页16:48PFC26临界连续特征 CRM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NoImageLUTiionon2iiLPUPIma

11、x22LUUTiioffoff)2(0)sin2(220maxtUUULPTiiioff2max2iionULPT)sin2(220maxtUUULPTiiioff00max2)sin2(1LUtUUPTTfiioffonsmax0min022)2(iiiPUfUUUL为什么？第26页/共55页16:48PFC27临界连续特征 CRM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。max0mi

12、n022)2(iiiPUfUUUL第27页/共55页16:48PFC28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U o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oiononiooonioionoffsUUTTUUUTUUUTTT11第28页/共55页16:48PFC29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

13、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，变频控制第29页/共55页16:48PFC30最大峰值电流最大峰值电流 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第30页/共55页16:48PFC31决定电感量决定电感量 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50s。 电感选择原则oionhUUTT/21max2minmax/iionhonLUU

14、TTionLiITUL （1）开关频率应在20kHz以上，避免噪音。第31页/共55页16:48PFC32磁芯的选择第32页/共55页16:48PFC33选择磁芯选择磁芯 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meonLiBNATUmin2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最大磁通密度第33页/共55页16:48PFC34选择磁芯 CRM电感设计 monLieNBTUAmin2jkNIAwiwmax 整个窗口铜线的截面积 maxiwwIjkAN wonLowmonLiiweBjkTPjkBTIUAAAP22maxmin用

15、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第34页/共55页16:48PFC35计算线圈匝数 CRMCRM电感设计电感设计 emiABLINmax22jIAicumax线圈导线截面积第35页/共55页16:48PFC36PFC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，

16、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。第36页/共55页16:48PFC37PFC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。第37页/共55页16:48PFC38PFC电感设计第38页/共55页16:48PFC39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

17、计附录4 例题 CRM电感设计第39页/共55页16:48PFC40附录1：常规Boost电路工作的三种模式AQiLiiU+-ubDCRL+-U0LBittt000UuibALmaxLmin0ITTonoffiiL0i0IL itTonTof)1/(DUUio0iLTonTof i0ITt第40页/共55页16:48PFC41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电感电流形状第41页/共55页16:48PFC42附录3 例子说明 CRM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

18、;根据U o=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2200.8=176V;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，变频控制第42页/共55页16:48PFC43附录3 例子说明 CRM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/(

19、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，变频控制第43页/共55页16:48PFC44如果将输出电压提高到410V (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。附录3 例子说明

20、 CRM电感设计方法二第44页/共55页16:48PFC45附录3 小结 CRM电感设计方法二（1）提高输出电压，开关频率变化范围小，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，一般选择输出电压为410V左右。（4）110V20%交流输入，输出电压选择210V。第45页/共55页16:48PFC46附录4 例题 CRM电感设计例：输入220V20%，输出功率200W，采用临界连续（CRM）,假定效率为0.95。解：输入最大电流为2.12208.095.0200minmaxioiUPI峰值电流A38. 322maxipII第46

21、页/共55页16:48PFC47附录4 例题 CRM电感设计设输出电压为410V，最高输入电压时最低频率为20kHz。即周期为50s，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 .1017626447. 422minmax第47页/共55页16:48PFC48附录4 例题 CRM电感设计开关周期为mH48. 1101 .102 . 11766ionLiITUL需要的电感量 sUUTToion7 .25410/2208 . 0211 .101第48页/共55页16:48PFC49附录4 例题 CRM电感设计7 .104135. 01480N匝105NmJLI9 .1610382. 348. 132nHAL135mH48. 1如果采用磁粉芯，选用铁硅铝磁芯。电感系数电感选择77439,有效磁导率为60.需要的匝数为第49页