【大学课件】PFC电感计算.ppt

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1、2023/9/11,http:/,1,PFC电感计算,2023/9/11,http:/,2,AC/DC整流电路中电流波形,2023/9/11,http:/,3,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,2023/9/11,http:/,4,利用Boost电路进行PFC校正,电流相位与输入电压保持同相位，PF为1。,总谐波失真率,输入电流实现正弦波，使电流失真因数为0。,功率因数与失真度的关系,功率因数校正的目的,2023/9/11

2、,http:/,5,研究对象的选择：,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，这儿由于时间关系只讨论Boost电路电感的计算与设计。,2023/9/11,http:/,6,Boost PFC控制模式,2023/9/11,http:/,7,BOOST PFC控制模式CCM,2023/9/11,http:/,8,BOOST PFC控制模式CRM,2023/9/11,http:/,9,BOOST PFC控制模式DCM,2023/9/11,http:/,10,PFC的控制方法:连续模式的控制方法,峰值电流控制,滞环控制方法,平均电流控制,2

3、023/9/11,http:/,11,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,2023/9/11,http:/,12,1、确定输出电压 连续模式的电感设计,输出电压可以选择390410V,输入电压220V，50Hz，变化范围是额定值的20%(=20)，最高峰值电压是：,（1）输入电网电压变化范围,（U in%）,（2）输出电压高于输入最高电压的峰值,（3）输出电压一般是输入最高峰值的,1.051.1倍,例如,2023/9/11,http:/,13,1、确定输出电压 连续模式的电感设计,（U in%）,2023/9/11,http:/,14,2、确定最大输入电流 连续模式的

4、电感设计,（1）电感应当在最大电流时避免饱和。（2）最大电流发生在输入电压最低，并且输出功率最大时。,2023/9/11,http:/,15,3、确定工作频率 连续模式的电感设计,2023/9/11,http:/,16,4.确定最低输入电压峰值时最大占空度,（1）根据Boost电路的公式，占空度最大发生在什么时候？,最大占空度,输入电压最小（峰值）,2023/9/11,http:/,17,5、求需要的电感量 连续模式的电感设计,电感中电流波形,2023/9/11,http:/,18,5、求需要的电感量 连续模式的电感设计,2023/9/11,http:/,19,5、求需要的电感量 连续模式的电

5、感设计,电感电流变化量,定义系数：,2023/9/11,http:/,20,6、利用AP法选择磁芯尺寸 连续模式的电感设计,Boost电路磁芯工作在磁化曲线的第一象限。,2023/9/11,http:/,21,6、利用AP法选择磁芯尺寸 连续模式的电感设计,求A e,2023/9/11,http:/,22,6、利用AP法选择磁芯尺寸 连续模式的电感设计,电感磁芯的工作在磁化曲线的第一象限,求磁感应B的工作范围,如果电感线性的,2023/9/11,http:/,23,6、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,Boost电感特点,（A）直

6、流分量很大,（B）磁芯损耗小于铜损耗,2023/9/11,http:/,24,6、利用AP法选择磁芯尺寸 连续模式的电感设计,2023/9/11,http:/,25,6、利用AP法选择磁芯尺寸 连续模式的电感设计,2023/9/11,http:/,26,6、利用AP法选择磁芯尺寸 连续模式的电感设计,输出功率在1kW以上，一般采用气隙磁芯。,因环形磁粉芯价格高，且加工困难。但是气隙磁芯在气隙附近边缘磁通穿过线圈，造成附加损耗，这在工艺上应当注意的。,2023/9/11,http:/,27,7、计算匝数,2023/9/11,http:/,28,临界Boost电感设计,2023/9/11,http

7、:/,29,1、临界连续特征 CRM电感设计,以峰值控制法为例说明控制概念.,2023/9/11,http:/,30,1、临界连续特征 CRM电感设计,导通时间与输入电压的平方成正比,2023/9/11,http:/,31,2、确定输出电压 CRM电感设计,电感的导通伏秒应当等于截止时伏秒,输出电压U o一定大于输入电压U ip，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。,2023/9/11,http:/,32,2、确定输出电压 CRM电感设计,符号定义,输入电压高，导通时间长，输入的电压低，导通时间短,2023/9/11,http:/,3

8、3,例题 CRM电感设计,假定导通时间为:Ton=10s;输入电压最小峰值：1.414Uimin/U o=0.65;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=1/28.75s=35kHz。,2023/9/11,http:/,34,CRM电感设计,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

9、期为TTonh/(1-1.4141.2220/383)176s，相当于开关频率为5.66kHz。,2023/9/11,http:/,35,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。,CRM电感设计,2023/9/11,http:/,36,结论,（1）提

10、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。,CRM电感设计,2023/9/11,http:/,37,3、最大峰值电流 CRM电感设计,2023/9/11,http:/,38,4、决定电感量 CRM电感设计,（1）开关频率应在20kHz以上，避免噪音。（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。,选择原则,2023/9/11,http:/,39,5、选择磁芯 CRM电感设计

11、,2023/9/11,http:/,40,5、选择磁芯 CRM电感设计,整个窗口铜的截面积,单根导线面积,窗口系数,用AP法选择磁芯尺寸,电感线圈圈数,2023/9/11,http:/,41,6、计算线圈匝数 CRM电感设计,2023/9/11,http:/,42,7、线圈导线截面积 CRM电感设计,2023/9/11,http:/,43,CRM电感设计 例题,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,峰值电流,2023/9/11,http:/,44,临界模式电感设计 例题,设输出电压为410V，最高输入电压时最低频率为20kH

12、z。即周期为50s，因此，导通时间为,输入最低电压峰值时的导通时间,2023/9/11,http:/,45,临界模式电感设计 例题,开关周期为,需要的电感量,2023/9/11,http:/,46,临界模式电感设计 例题,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,2023/9/11,http:/,47,临界模式电感设计 例题,77439的平均磁路长度l=10.74cm，磁场强度为,磁导率为60，H21Oe，当磁导率下降到90%时，为了在给定峰值电流时保持给定电感量，需增加匝数为：,2023/9/11,http:/,48,临界模式电感设计

13、 例题,此时磁场强度H11121/10522.2Oe，下降到0.88,此时电感量：,满足设计要求。最高电压时开关频率提高大约1%。应当注意到这里使用的是平均电流，实际峰值电流大一倍，最大磁场强度大一倍，从图上得到磁导率下降到80%，磁场强度从零到最大，平均磁导率为（0.81）/2=0.9，接近0.88。,2023/9/11,http:/,49,临界模式电感设计 例题,选取电流密度j=5A/mm2，导线尺寸为：,选择：,核算窗口利用系数:,则:,2023/9/11,http:/,50,临界模式电感设计 例题,2023/9/11,http:/,51,PFC的电感计算方法总结,（1）弄清所选择的控制

14、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，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。,2023/9/11,http:/,52,PFC的电感计算方法总结,（5）利用AP法计算 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。,2023/9/11,http:/,53,附录1：常规Boost电路工作的三种模式,2023/9/11,http:/,54,附录2：直流输入与交流输入模式比较,2023/9/11,http:/,55,PFC电感设计,谢谢光临，请批评指正！,