PFC电感设计
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2017/3/1 11
PFC电路设计
一．电感值的计算
I t U t U DT U in D L L in I I I f U L L
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。
2017/3/1
5
功率因数调节的作用
问题产生的背景 整流电路产生的电流波形：
ui ii ii ui
0 t
ii ui
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。
2017/3/1 6
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.
2017/3/1
27
• Step 6 计算电气系数Ke
2 K e 0.145Po Bm 104
0.145 250 0.252 0.000227
2017/3/1
16
PFC电路设计
• Step 7 计算磁芯的几何系数Kg
W2 0.008912 Kg 0.35 Ke 0.000227 1
2017/3/1
8
PFC电路设计
• Boost PFC电路
2017/3/1
9
PFC电路设计
Boost PFC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。
AC-DC变换器中磁性元件的设计 ——PFC电感的设计
韩洪豆
2017/3/1
1
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)
2017/3/1
2
PFC
PFC的全称为Power Factor Correction，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。
DCM输入电流波形自然跟随电压波形，关键在于 电感的设计。
2017/3/1
10
PFC电路设计
Example：连续模式(CCM)下电感的设计
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；
为了留有一定的域度，Kg通常要乘以1.35 修正值：
Kg 0.35 1.35 0.47
2017/3/1
17
PFC电路设计
• 查表选择ETD磁芯。
2017/3/1
18
PFC电路设计
B.导线
• Step 8 计算电流密度。
2 W 2 0.00891 4 J 10 104 507 Bm AP Ku 0.25 4.85 0.29
取n=5.
2017/3/1 20
PFC电路设计
• Step 12 计算所需的匝数。
Wa Ku 2.79 0.29 N 126 n # 26 5 0.00128
• Step 13 计算气隙的长度
2 0.4 N 2 Ac 0.4 126 1.74 lg 108 108 0.331 L 0.00105
2017/3/1 7
PFC电路设计
无源PFC buck boost PFC电路 有源PFC cuk 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Boost PFC电路。
L
2Uin(min) Dmax I f
12
2017/3/1
PFC电路设计
• Step 1：计算Dmax
Uo U o U in 1 D U in 1 D Uo Dmax U o 2U in min 400 90 2 0.683 Uo 400
• Step 2：计算输入电流的峰值 I pk
• Step 9 计算电流的有效值。
I rms I pk 2 4.12 2.91 2
19
2017/3/1
PFC电路设计
• Step 10 计算裸导线的面积。
A I rms 2.91 0.00574 J 507
• Step 11计算所需的股数。
n A 0.00574 = 4.48 # 26 0.00128
2017/3/1
14
PFC电路设计
二．电感的设计
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。
磁芯
Kg
导线
匝数
电流密度
导线有效面积
2017/3/1
15
PFC电路设计
A.磁芯
• Step 5：计算所需要的能量
1 2 0.00105 4.122 W LI p 0.00891 2 2
2017/3/1
3
PFC
THD
2 2 I2 I 32 I n I1
电流的基波因数与THD的关系：
I1
3 2 I12 I 2 In
1 1 THD 2
PF与THD的关系：
PF cos 1 THD2
2017/3/1
4
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。
7.68
105
7.68
=4.316 100000
0.0150
10-5
PFC电路设计
• Step 20 计算铁耗。
Pfe Wtfe W / K 103 93.2 0.0885103 0.0082
• Step 21 计算总损耗。
PP cu Pfe 2.03 0.0082 2.04
I pk 2 Po 250 2 4.12 A U in min 0.95 90
13
2017/3/1
PFC来自百度文库路设计
• Step 3：计算电感的纹波电流 I
I 0.2 I pk 0.2 4.12 0.824 A
• Step 4：计算电感L
2Vin min Dmax L I f 2 90 0.683 0.00105 H 0.824 100000
2017/3/1
21
PFC电路设计
• Step 14 计算边缘磁通因数。
lg F 1 A c 2G 0.331 6.44 1 ln 1.74 ln lg 1.32 0.331
• Step 15 计及边缘磁通的匝数。
N lg L 0.4 Ac F 108 0.331 0.00105 96 8 1.257 1.74 1.74 10
2017/3/1
22
PFC电路设计
• Step 16 计算峰值磁通。
0.4 NI pk 104 0.4 96 4.12 104 B pk F 1.74 0.261 lg 0.331
• Step 17 计算电阻
R MLT N MLT N # 26 S n 1345 9.4 96 0.243 5
23
2017/3/1
PFC电路设计
• Step 16 计算铜耗。
2 2 P I R 2.91 0.243 2.06 cu rms
• Step 17 计算调整率。
Pcu 2.06 100% 100% 0.824% Po 250
2017/3/1
24
PFC电路设计
• Step 18 计算交流磁通密度。
• Step 22 计算磁链。
2017/3/1
P 2.04 0.023 At 87.9
26
PFC电路设计
• Step 23 计算温升。
Tr 450
0.826
450 0.023
0.826
19.9
• Step 24 计算窗口利用系数。
Ku Nn # 26 95 5 0.00128 0.218 Wa 2.79
I 0.4 N 1.257 96 0.412 2 4 Bac 10 0.0150 lg 0.331
• Step 19 计算功率体密度W/K。
W / K 4.316 f =0.0885
2017/3/1 25
1.64
Bac
1.64
PF
I1 I in I1
P UI cos I1 cos I1 cos 1 1 3 2 S UIin Iin I12 I 2 In
3 2 I12 I 2 In 被称为电流的基波因数
cos 被称为位移因数。
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 (total harmonic distortion——THD )
PFC电路设计
一．电感值的计算
I t U t U DT U in D L L in I I I f U L L
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。
2017/3/1
5
功率因数调节的作用
问题产生的背景 整流电路产生的电流波形：
ui ii ii ui
0 t
ii ui
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。
2017/3/1 6
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.
2017/3/1
27
• Step 6 计算电气系数Ke
2 K e 0.145Po Bm 104
0.145 250 0.252 0.000227
2017/3/1
16
PFC电路设计
• Step 7 计算磁芯的几何系数Kg
W2 0.008912 Kg 0.35 Ke 0.000227 1
2017/3/1
8
PFC电路设计
• Boost PFC电路
2017/3/1
9
PFC电路设计
Boost PFC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。
AC-DC变换器中磁性元件的设计 ——PFC电感的设计
韩洪豆
2017/3/1
1
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)
2017/3/1
2
PFC
PFC的全称为Power Factor Correction，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。
DCM输入电流波形自然跟随电压波形，关键在于 电感的设计。
2017/3/1
10
PFC电路设计
Example：连续模式(CCM)下电感的设计
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；
为了留有一定的域度，Kg通常要乘以1.35 修正值：
Kg 0.35 1.35 0.47
2017/3/1
17
PFC电路设计
• 查表选择ETD磁芯。
2017/3/1
18
PFC电路设计
B.导线
• Step 8 计算电流密度。
2 W 2 0.00891 4 J 10 104 507 Bm AP Ku 0.25 4.85 0.29
取n=5.
2017/3/1 20
PFC电路设计
• Step 12 计算所需的匝数。
Wa Ku 2.79 0.29 N 126 n # 26 5 0.00128
• Step 13 计算气隙的长度
2 0.4 N 2 Ac 0.4 126 1.74 lg 108 108 0.331 L 0.00105
2017/3/1 7
PFC电路设计
无源PFC buck boost PFC电路 有源PFC cuk 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Boost PFC电路。
L
2Uin(min) Dmax I f
12
2017/3/1
PFC电路设计
• Step 1：计算Dmax
Uo U o U in 1 D U in 1 D Uo Dmax U o 2U in min 400 90 2 0.683 Uo 400
• Step 2：计算输入电流的峰值 I pk
• Step 9 计算电流的有效值。
I rms I pk 2 4.12 2.91 2
19
2017/3/1
PFC电路设计
• Step 10 计算裸导线的面积。
A I rms 2.91 0.00574 J 507
• Step 11计算所需的股数。
n A 0.00574 = 4.48 # 26 0.00128
2017/3/1
14
PFC电路设计
二．电感的设计
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。
磁芯
Kg
导线
匝数
电流密度
导线有效面积
2017/3/1
15
PFC电路设计
A.磁芯
• Step 5：计算所需要的能量
1 2 0.00105 4.122 W LI p 0.00891 2 2
2017/3/1
3
PFC
THD
2 2 I2 I 32 I n I1
电流的基波因数与THD的关系：
I1
3 2 I12 I 2 In
1 1 THD 2
PF与THD的关系：
PF cos 1 THD2
2017/3/1
4
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。
7.68
105
7.68
=4.316 100000
0.0150
10-5
PFC电路设计
• Step 20 计算铁耗。
Pfe Wtfe W / K 103 93.2 0.0885103 0.0082
• Step 21 计算总损耗。
PP cu Pfe 2.03 0.0082 2.04
I pk 2 Po 250 2 4.12 A U in min 0.95 90
13
2017/3/1
PFC来自百度文库路设计
• Step 3：计算电感的纹波电流 I
I 0.2 I pk 0.2 4.12 0.824 A
• Step 4：计算电感L
2Vin min Dmax L I f 2 90 0.683 0.00105 H 0.824 100000
2017/3/1
21
PFC电路设计
• Step 14 计算边缘磁通因数。
lg F 1 A c 2G 0.331 6.44 1 ln 1.74 ln lg 1.32 0.331
• Step 15 计及边缘磁通的匝数。
N lg L 0.4 Ac F 108 0.331 0.00105 96 8 1.257 1.74 1.74 10
2017/3/1
22
PFC电路设计
• Step 16 计算峰值磁通。
0.4 NI pk 104 0.4 96 4.12 104 B pk F 1.74 0.261 lg 0.331
• Step 17 计算电阻
R MLT N MLT N # 26 S n 1345 9.4 96 0.243 5
23
2017/3/1
PFC电路设计
• Step 16 计算铜耗。
2 2 P I R 2.91 0.243 2.06 cu rms
• Step 17 计算调整率。
Pcu 2.06 100% 100% 0.824% Po 250
2017/3/1
24
PFC电路设计
• Step 18 计算交流磁通密度。
• Step 22 计算磁链。
2017/3/1
P 2.04 0.023 At 87.9
26
PFC电路设计
• Step 23 计算温升。
Tr 450
0.826
450 0.023
0.826
19.9
• Step 24 计算窗口利用系数。
Ku Nn # 26 95 5 0.00128 0.218 Wa 2.79
I 0.4 N 1.257 96 0.412 2 4 Bac 10 0.0150 lg 0.331
• Step 19 计算功率体密度W/K。
W / K 4.316 f =0.0885
2017/3/1 25
1.64
Bac
1.64
PF
I1 I in I1
P UI cos I1 cos I1 cos 1 1 3 2 S UIin Iin I12 I 2 In
3 2 I12 I 2 In 被称为电流的基波因数
cos 被称为位移因数。
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 (total harmonic distortion——THD )