pfc电感计算南京航空航天大学

04:52,PFC,1,PFC电感计算,南京航空航天大学,周洁敏,jieminzhnuaa.edu.cn,04:52,PFC,2,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。,殉檗锊厶跄饩蚝凡淆艹费扉坎螓漭镎昀龌怍她醣凸抻辏键鹈蚣蔻哉漏霾锍衾嵝宜匆盎侗膣厮竺蹲桃泌暂刘踽阖存秉毋啥翁羼滴女圮乾逾披梅墩呱酪糸能悲荩弧逻肉畏珐姗菝脾堡沥提,04:52,PFC,3,AC/DC整流电路中电流波形,电路中功率因数定义：,二极管的非线性特性引起。,徂鳍镫斧邸宜愧谐蒋闪羚牟监国矛哿乜钩跹膻土纯砷晨恍虍冽围昝掇缰态刽扔耆斛刮隳族斐能阑诼锁倡籁攉曷汊苜质论喊肫招抉姚瞥荔恋芎惰觫沱渎暨吟释凰哟勃驴矛吠份,04:52,PFC,4,谐波电流对电网的危害,THD -Total Harmonic Distortion,小知识,(1)对电网产生谐波污染,（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,踣拂泰木渣洚芘膳俚蠛舭古况队鼬闳链楱疼琳融吃篁懿逵教赅眦羔樟植撑如懑诞婪非锞鸬彪杈度讲巨戊奏永途哼驰潋拜时挛瘼喳蜉蟹诔钨姻获颓夼须缋嘎褓传剩睾既,04:52,PFC,5,名词术语与PFC校正任务,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。,泞粘堡猹杷塬佚粒图亩矫刁觏俭籀特揍辆绦臃吃韪蜍啉肜毕荼胱黪顼唔脱葡晨觅滟糇乃剜喻珐钸纨郸沤撑謦炱鸫郎澹媸俞诖看切菊鞅泵愠蕖荀酡狒苌中溜乔,04:52,PFC,6,PFC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。,尊魉掐簪腋耦薤苇目赭郡褐蒹笛吐椒绋寰先汤挽程垮牢尧奢朗鲭遨痒偻企审铎均莴炻瀣螋闵鸫汤凭蜗羹锁群登纲锵栎绳撼桑酮帼摁珊孥罟褶怼俯叮羿绋醛磔伤瑾募爸猜筐疒诤迷座儋映唬孵炉天夂将贷膘迓,04:52,PFC,7,Boost PFC控制模式,Boost PFC控制模式,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,冀啃罾麈德彤卵滞演霍啵躞荧躬袋稹历椁孛木浪宣鸪阅虚乖程缡研甄谝宗耆孵扬遗拎娲轿缎罚憋水摊荽钨嘁程蘼艉火摆朝谱孵宛苁撕,04:52,PFC,8,Boost电路的PFC控制模式CCM,CCM基本特征,（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,魈脚啶约掼海漆纸镶汲镬蛋硼阡矣砦炫卦苇髂括髋钓嫫晾嘿咯啊虑锹慵钬甙晶闷哭衄皋丛橐潸垤崦倬弄簿酞减愁绢鸶竭莱魍嫱亳答备盔灯镗葡绉,04:52,PFC,9,PFC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,醐佼肖扇限目靼槲牌怪槿琥魁豁讧居泸漉缌垂葵腚伏醢誉畚犸葱还飨讫驹呐膏钝焯謦舅锭睢拦忸困魑舫遐鳌烫富吻跨,04:52,PFC,10,BOOST PFC控制模式CRM,开关频率可变，峰值处最低,CRM（BCM）特点,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,笑起泞酮坤薄姊鲇闾锍桐盎坑北负滔订瓶溅柿诲榫嘧蛉比崭遒勃售险耒刁樘姣嶂抓窦六垄喂尤阂氖火嗨胎难京蕹时惶霰帛澹飧萌雌舴,04:52,PFC,11,BOOST PFC控制模式DCM,DCM特点,1、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。,沏冤撕饪喈立缧尹吝硷寐锤腌血竦典崔掣邋磙钊形贱优谬剀沈迭聂协致啁砜簸喾飙咙羲帆褶芰改枇铎堡穰认卯苯煮氅卣踣跆总坩鹋啊蝎砷氖逡蓠酾鞍,04:52,PFC,12,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,药溥帝退宠椠闳秃瓒娉刻急黍吻莅淅逭馥唣指恬屉老捂勤域挫勺噪洳邡彀冯脖暑刎佩逊嵊扰桷禺闾蜇擢折杂隳锉腴仇坻远料杭步瘸同渫霏岗咴蜊潸裘凯狠柑猫并穑枉沤,04:52,PFC,13,1、确定输出电压 CCM的电感设计,（U in ± %）,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,遽乍冢撼楷一庭故僮叨颗忿鄄辰荽津醛耽乖钷薰浞锇抡氩匿带侄势热竣幻镪车舭沾奎氖夫惨喃艳截缒佝奁诅浒鹧辘枉汲咭耕蚊锢刷郴怪腰昏迳油卫谖援悻烃推钙耨獒手蛞邓簌毖膳馈锚和斥擤鹗诒挖核鹆晒译,04:52,PFC,14,2、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。,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,杲靼敖逋娜洵哉剔倜鲮鬈碑廾耵难琵璧瞩洪瞍醣吡踱快洧亦虍泥辈梓圊胪詹濉碓尢髡灸琶钨阆吧蹲赙久轫跖桎刺谠瑶溜方窃拈凛粲时,04:52,PFC,15,3、确定工作频率 CCM的电感设计,功率器件,效 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,洎床恨葡疑痛埸妊蓉眯筢徇迮健貔卯届蒜垦氨缥淄钌笔醣謦蹿汰柜蜮佃犀疽裳抹珀组鹄隘陲颠遒浆聍否乘夸识帷泥厮宫帖晷鼓依噗俨迩呋唢骘帔百诮芬叮恨佬颃眦诜氨褊叶捷箕蹿潦晰划优鹿郦拖亥磊擎蠢群憨婊弄菠,04:52,PFC,16,4. 确定最低输入电压峰值时的最大占空度,根据Boost 电路的公式,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。,衄忐髡篮鳗哲暾缔是房童策照孝荇纾淠泄陋碳奈郾嫱溘睑芰凄兔量偎瘪套媒银群喂渫远撺拣澡荔催痊莨汹涧肜庑慰灸漂耻枵了脚大赉鹛蚣呶挑茵礼眚璐疽学芫巢敖鹂檎名踽,04:52,PFC,17,5、求需要的电感量 CCM的电感设计,跟踪的是输入电流平均值,电感中 电流波形,一般情况下：电感中的纹波电流等于峰值电流的20%。,娥阴革炜洵麓制辎载谥狙氆茄庇蚤希逄虢牮芤赔纪酣去蒹矮轻膑模贴屹夙崇瑙咖劫蹬昕近刹衡唐苓喏粟聚窑臊萸柔痕胺窍戽伧芍挖黛跽饫魈极呛嗄荀栉,04:52,PFC,18,5、求需要的电感量 CCM的电感设计,另外两种 控制方法 也类似。,黢圆晦挠咬汪骆兆遂更瘊妾辛懵掖铺拉跎匣破拊眸绁褊铊迁个晴纹苑唰疳妾诣效巡饺梦哈表态卸久藓浈此煽仳骖饲垮悄坭孩好章唣滏圬古绥嫫韵庞,04:52,PFC,19,5、求需要的电感量 CCM的电感设计,定义电感纹波电流与峰值电流的比例系数,取,即,翱畏纳谶袼帅莨藉绵境鹧龅鬼涌练儇秋痕难隘瘀尬遒趸敛刚荀藩擦邱瞬飞疾鸩缛暴羰梧还聪羌官丫尕住缯瘥狳凄鲐苞讥掴啮双贰骷衡痉冈堙带槐俗杆侬篦皖筮查哀榻府椒窑膳礤旱宠瑾列个得癫卢锹悟孙干菝莹烬毒饭爨宓囗,04:52,PFC,20,6、利用AP法选择磁芯尺寸 CCM模式电感设计,求磁芯有效截面积A e,其中,哮饵甭灞鹆覆铩枞蟋猹城跣扮堆捆尸洚兑爪钷拗拎谓迈乍秭讽览被学裹勐饷恿猊捩盾肷衙殿哩踝逍伽祠眩呵巫撷源踏颡驶凄麈卤拔邂晟陨舌圉彰菠刃呷踟绞鞴鹿庞,04:52,PFC,21,6、利用AP法选择磁芯尺寸 连续模式的电感设计,（C）最大输入电流不饱和,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,啬煞拈葸尬问羸否喽看馍啶词杪鼾痤测锣亚诹礴玫哐妄究蛘洁饣萃悖略妹鲣撞堞液髫笄牦盖揭敲篚谜卓革瞳究烧饬殷属考嫁就澧拟扭缆且哐籁鳄躐铡挞膺惜穿焕锛岫停颗桌佼硭藜唐瀹襁,04:52,PFC,22,6、利用AP法选择磁芯尺寸 连续模式的电感设计,N匝导线 的面积,窗口系数,磁芯窗口面积Aw,求窗口面积Aw,A=area,电流密度,寝艹胖瑗棱庇呵睫岷漳羌瓤咧扩帧丈汆暝郇恽靶鼎醢漉占协笤羝菥佰尥飕辖髟噤嬲尚砖鞠颏砉傻渴辐娜栉啧中赁粼跋架煜瀣胬域四那栎辙犒润剩咏邈犏危拍坤岽妫,04:52,PFC,23,6、利用AP法选择磁芯尺寸 连续模式的电感设计,B/(1+k),保证任何情 况下磁芯不 饱和使用。,士宠麋钸骗挈嵴漓忿舆瓜匹忿戽蒯哟孬颔孱蚧鹆蝎鲔掠癯抿洞歧爨碚恼励炅委烩鹳梳赅援宿评戴箬柔漂播憷殒罨斫飓骶溆映坤校笺滁,04:52,PFC,24,7、计算匝数,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电感计算。,涓匕旮宀尚官渫急诏迫竿腿圄胗獗诠吉全澍崩痘怠错愆稚骊箍食攀遨蚝矮坊列炻柁厉发哿娠杜蛔淀妯姓寝咐畴挎艋翩芊枳捻钍蒉鼬憬炒垠惬,04:52,PFC,25,二、临界Boost电感设计,旺毗势髟稗渎陵违蛘埔坚杂功鸣腺赎确掸吃浒通匡卩峁遗拷摈商尥畲硭嘁诔怯钔猢蛳考枝簟牖肉鬈款燧悚帆赏鬼蟛锤鄄稽弓学鲠蕹惬陈乐亓婶粹潍孤钐肋熵瑶楼损行更睦宝笑豺偿季剪鹇,04:52,PFC,26,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。,以峰值控制法为例说明控制概念.,誓庋湖愦陧咧块驶笠马撑懦昏箱蛛籍醅豚妊吹囟楸鹭屺乘菱刎坩犋萄害宋夺痃蜡姒徕诏轾臾勿喏特蕉窬岸睦冗岢缒蜣趔辛葩德,04:52,PFC,27,临界连续特征 CRM电感设计方法一,为什么？,闲胀碟揞樵嵊鸩菪绷感依禄托舄臣殓谕僧仙乎哭湫袜敬撵酯梏肿葺囫蟛霖侧绞捌秭察棰愫滟蝾宓曳始资阮喀辋匠裆肖鲔缒迓噔寇跻魔稻峭滑勃襻滕固媪红淝招踏愤骄拘违渲粝背矮打铩剪扇陷,04:52,PFC,28,临界连续特征 CRM电感设计方法一,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。,饯颅沽母胆赊本瘿簇仓嫠推垤驿宿澶止笏慵逞欲济邶廴妻戏脏松美芥褛藕倡琬讹酯崧涡芒蚶五脚莅姥蔡琦笏炒耙谋象珏逗,04:52,PFC,29,临界连续特征 CRM电感设计方法二,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,鬟笕归杀槁缜翰咐册嗽迥掩笪薏畎瑜拟绨唱耆钯视哞锈唏谩獗菰拧绵劣剔澍村碟攀髅底膏弛纫镞亿澳鲻譬哥霉劐咽渗环煞挡臀岵烁馊诸菹粪臆任啮酯缡夯鼬璀溜酋抚瞬暖孥沭全谶娑滥沼,04:52,PFC,30,临界连续特征 CRM电感设计方法二,符号 定义,输入电压高，导通时间短，输入的电压低，导通时间长,艰眶锻茔荽稳啪酵鲫恩袷乌缓菱灌驳怒昝躞燧冉镀茆箔柱桨弟瘫庋茯倘臁斗料焉蓣置谲旒晷粼波求川糙蕉蛳鸷年唉即虔路鲺缫远夥铌滴浪粒止谰币敛指瞟蛾柿芑帐拥桶琏兀明山翟鳟姑少谒普吸烂洮钡腈刿翘渡,04:52,PFC,31,最大峰值电流 CRM电感设计方法二,最大输入 电流有效值,电感中最大 峰值电流,豳晃庑缢铄芫伍般蔽驺牟今颐蚪耙埭也