PFC电感设计

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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 导线 匝数
Kg 电流密度 导线有效面积
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PFC电路设计
A.磁芯
• Step 5：计算所需要的能量
W 1 2L Ip 20.00105 24.1220.00891
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。
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PFC电路设计
• Boost PFC电路
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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
P F P 1 U I1c o s I1 c o s I1 c o s
S U Iin
Iin
I1 2 I2 3 L In 2
I1Iin I1 I1 2 I2 3 L In 2被 称 为 电 流 的 基 波 因 数
c o s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 )
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PFC
THD I22 I32 L In2 I1
电流的基波因数与THD的关系：
I1
1
I12I2 3LIn 2 1TH D2
PF与THD的关系：
PF cos
1THD2
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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。
=0.0885
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PFC电路设计
• Step 20 计算铁耗。
P f e W t f e W / K 1 0 3 9 3 . 2 0 . 0 8 8 5 1 0 3 0 . 0 0 8 2
• Step 21 计算总损耗。
P P c u P fe 2 .0 3 0 .0 0 8 2 2 .0 4
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。
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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Biblioteka Baidu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；
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.
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PFC电路设计
无 源 PFC
PFC电
路



有

源
PFC
buck
b o o s t

c
u
k

反 激
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PFC电路设计
一．电感值的计算
QUL

L
I t
L ULt Uin DT Uin D
I
I
I f
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。
• Step 22 计算磁链。 P 2.040.023
At 87.9
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PFC电路设计
• Step 23 计算温升。
T r 4 5 0 0 .8 2 6 4 5 0 0 .0 2 3 0 .8 2 6 1 9 .9
• Step 24 计算窗口利用系数。
• Step 9 计算电流的有效值。
Irms

Ipk 2
4.122.91 2
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PFC电路设计
• Step 10 计算裸导线的面积。
AIrms 2.910.00574 J 507
• Step 11计算所需的股数。
n A=0.005744.48 #26 0.00128
取n=5.
R


MLT S
N


# 26
MLT

N
n
1345 9.496 0.243 5
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PFC电路设计
• Step 16 计算铜耗。
P c u Ir 2 m sR 2 .9 1 2 0 .2 4 3 2 .0 6
• Step 17 计算调整率。
P cu100% 2.06100% 0.824%
P o
250
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PFC电路设计
• Step 18 计算交流磁通密度。
B ac0.4N lg 2I1041.257 0.9 3 6 3 10.4120.0150
• Step 19 计算功率体密度W/K。
W/K4.316f 1.64 Bac 7.68105 =4.3161000001.640.01507.6810-5
AC-DC变换器中磁性元件的设计 ——PFC电感的设计
韩洪豆
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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)
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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。
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PFC电路设计
• Step 12 计算所需的匝数。 NW aK u 2.790.29126 n#26 50.00128
• Step 13 计算气隙的长度
lg 0 .4L N 2 A c 1 0 8 0 .40 .1 0 2 0 6 1 0 2 5 1 .7 4 1 0 8 0 .3 3 1
• Step 6 计算电气系数Ke
Ke0.145PoBm 2104 0.1452500.2520.000227
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PFC电路设计
• Step 7 计算磁芯的几何系数Kg
W2 0.008912
Kg Ke0.00022710.35
为了留有一定的域度，Kg通常要乘以1.35 修正值：
Kg0.351.350.47
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PFC电路设计
• 查表选择ETD磁芯。
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PFC电路设计
B.导线
• Step 8 计算电流密度。
J 2 W 1 0 4 2 0 . 0 0 8 9 1 1 0 4 5 0 7 B m A P K u 0 . 2 5 4 . 8 5 0 . 2 9
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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：
ii ui
ui ii
ii ui
0 t
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。
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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
L 2Uin(min) Dmax I f
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PFC电路设计
• Step 1：计算Dmax
Uo 1 DUo Uin
Uin 1D
Uo
Dmax
Uo
2Uinmin Uo
40090 400
2 0.683
• Step 2：计算输入电流的峰值 I p k
Ip k2U P in o m in20 .9 2 5 5 0 9 04 .1 2A
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PFC电路设计
• Step 14 计算边缘磁通因数。
F1
lA gc ln2 lG g 10 1 ..3 3 3 2 1ln0 6 ..3 4 3 4 11.74
• Step 15 计及边缘磁通的匝数。
N 0 .4A lc g F L 1 0 81 .2 5 0 7 . 3 1 3 .1 7 4 0 .1 0 .0 7 1 4 0 5 1 0 8 9 6
K uN n W # a269552 .0 7.9 001280.218
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PFC电路设计
• Step 3：计算电感的纹波电流 I
I 0 .2 Ip k 0 .2 4 .1 2 0 .8 2 4 A
• Step 4：计算电感L
L 2VinminDmax I f
2900.683 0.00105 H 0.824100000
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PFC电路设计
• Step 16 计算峰值磁通。
B p k F 0 .4N I lg p k 1 0 4 1 .7 4 0 .4 9 6 0 . 3 4 3 .1 1 2 1 0 4 0 .2 6 1
• Step 17 计算电阻