PFC电感设计

2020/7/31AC-DC变换器中磁性元件的设计——PFC电感的设计韩洪豆2020/7/32行文逻辑什么是PFCPFC电路的作用PFC电感设计(以CCM模式电感设计为例)2020/7/33PFC的全称为PowerFactorCorrection，功率因数校正。功率因数：输入的有功功率和输入的视在功率的比值。所有谐波分量的有效值和基波分量的比值，称为总谐波畸变(totalharmonicdistortion——THD)111123212coscoscosininnPUIIIPFSUIIIII2321112cosinnIIIIII被称为电流的基波因数被称为位移因数。PFC2020/7/34PFC123221211nIIIITHDPF与THD的关系：电流的基波因数与THD的关系：2cos1THDPF222231nIIITHDI2020/7/35功率因数调节的作用AC/DC变换器，它首先是将AC整流成DC，然后再进行DC/DC变换。2020/7/36功率因数调节的作用uiiituiiiiiui0由于二级管的非线性特性导致电流波形畸变，产生许多高次谐波。问题产生的背景整流电路产生的电流波形：2020/7/37功率因数调节的作用谐波电流的危害：功率因数降低，效率降低。造成谐波压降正弦电压波形畸变产生电路故障，变电设备损坏因此，功率因数调节器(PFC)就十分重要，其作用：(1)电流正弦化，使电流的基波因数为1；(2)电压电流同相，位移因数为1；从而使功率因数接近于1.2020/7/38PFC电路设计PFCPFCbuckPFCboostcuk无源电路有源反激无源PFC通常是加一个补偿电感，来提高电路的位移因数，功率因数只能达到0.7-0.8左右；有源PFC则是同时提高的它的基波因数和位移因数，功率因数几乎接近于1。本文主要讨论BoostPFC电路。2020/7/39PFC电路设计•BoostPFC电路2020/7/310PFC电路设计BoostPFC有三种工作模态：•连续模式(CCM)•临界模式(BCM)•断续模式(DCM)控制方法：CCM模式控制方法：峰值电流控制；平均电流控制；滞环电流控制等。适合大功率场合。BCM一般采用变频控制，适合中小功率场合。DCM输入电流波形自然跟随电压波形，关键在于电感的设计。2020/7/311PFC电路设计设计要求：•输入电压：90-270V；•输出功率：250W；•效率约为：95%；•开关频率：100KHz；•磁芯：ETD；•电感的纹波电流：最大峰值电流的20%；•电感的调整率：1%；•工作的磁通密度Bm：0.25T；Example：连续模式(CCM)下电感的设计2020/7/312PFC电路设计LininLIULtUDTUDUtLIIIf在设计电感时，我们应该考虑在最大的峰值电流时可能会饱和。在电网低压室整流电压波形的峰值处是电流最大的情况，因此设计时应保证最坏情况—低输入电压的输入电流峰值处不饱和。(min)max2inUDLIf一．电感值的计算2020/7/313PFC电路设计•Step1：计算Dmaxminmax1124009020.683400ooininooinoUUUDUDUUUDU•Step2：计算输入电流的峰值pkIminP250224.120.9590opkinIAU2020/7/314PFC电路设计•Step3：计算电感的纹波电流0.20.24.120.824pkIIAI•Step4：计算电感Lminmax22900.6830.001050.824100000inVDLIfH2020/7/315PFC电路设计下面的问题就是如何设计这个电感。设计电感需要确定的要素：磁芯，导线，匝数。我们采用Kg法来设计电感。二．电感的设计磁芯导线匝数Kg电流密度导线有效面积2020/7/316PFC电路设计•Step6计算电气系数Ke2420.145100.1452500.250.000227eomKPB•Step5：计算所需要的能量2210.001054.120.0089122pWLIA.磁芯2020/7/317PFC电路设计•Step7计算磁芯的几何系数Kg220.008910.350.0002271geWKK为了留有一定的域度，Kg通常要乘以1.35修正值：0.351.350.47gK2020/7/318PFC电路设计•查表选择ETD磁芯。2020/7/319PFC电路设计B.导线•Step8计算电流密度。44220.0089110105070.254.850.29muWJBAPK•Step9计算电流的有效值。4.122.9122pkrmsII2020/7/320PFC电路设计•Step10计算裸导线的面积。2.910.00574507rmsIAJ•Step11计算所需的股数。0.00574=4.48#260.00128An取n=5.2020/7/321PFC电路设计•Step12计算所需的匝数。2.790.29126#2650.00128auWKNn•Step13计算气隙的长度22880.40.41261.7410100.3310.00105cgNAlL2020/7/322PFC电路设计•Step14计算边缘磁通因数。20.3316.441ln1ln1.741.320.331ggclGFlA•Step15计及边缘磁通的匝数。880.3310.00105960.4101.2571.741.7410gclLNAF2020/7/323PFC电路设计•Step16计算峰值磁通。440.4100.4964.12101.740.2610.331pkpkgNIBFl•Step17计算电阻#2613459.4960.2435MLTRNMLTNSn2020/7/324PFC电路设计•Step16计算铜耗。222.910.2432.06curmsPIR•Step17计算调整率。2.06100%100%0.824%250cuoPP2020/7/325PFC电路设计•Step18计算交流磁通密度。40.41.257960.4122100.01500.331acgINBl•Step19计算功率体密度W/K。1.647.6857.681.64-5/4.31610=4.3161000000.015010=0.0885acWKfB2020/7/326PFC电路设计•Step20计算铁耗。33/1093.20.0885100.0082fetfePWWK•Step21计算总损耗。2.030.00822.04cufePPP•Step22计算磁链。2.040.02387.9tPA2020/7/327PFC电路设计•Step23计算温升。0.8260.8264504500.02319.9rT•Step24计算窗口利用系数。#269550.001280.2182.79uaNnKW