PFC电感计算.docx
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PFC电感计算
PFC电感计算
PFC电感计算
通常Boost功率电路的PFC有三种工作模式：
连续、临界连续和断续模式。
控制方式是输入电流跟踪输入电压。
连续模式有峰值电流控制，平均电流控制和滞环控制等。
连续模式的基本关系：
1.确定输出电压Uo
输入电网电压一般都有一定的变化范围（Uin±Δ%），为了输入电流很好地跟踪输入电压，Boost级的输出电压应当高于输入最高电压的峰值，但因为功率耐压由输出电压决定，输出电压一般是输入最高峰值电压的1.05~1.1倍。
例如，输入电压220V，50Hz交流电，变化范围是额定值的20%（Δ=20），最高峰值电压是220×1.2×1.414=373.45V。
输出电压可以选择390~410V。
2.决定最大输入电流
电感应当在最大电流时避免饱和。
最大交流输入电流发生在输入电压最低，同时输出功率最大时
（1）
附加损耗，这在工艺上应当注意的。
5.计算匝数
（7）
6.计算导线尺寸（略）
临界连续Boost电感设计
1.临界连续特征
Boost功率开关零电流导通，电感电流线性上升。
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。
当电感电流下降到零时，开关再次导通。
如果完全跟踪正弦波，根据电磁感应定律有
即
（8）
或
（9）
其中：
Ui、Ii为输入电压和电流有效值。
在一定输入电压和输入功率时，Ton是常数。
当输出功率和电感一定时，导通时间Ton与输入电压Ui的平方成反比。
2.确定输出电压
电感的导通伏秒应当等于截止时伏秒：
则
（10）
开关周期为
（11）
可见，输出电压Uo一定大于输入电压Uip，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。
如果首先决定最低输入电压（Uimin）对应的导通时间为TonL，最高输入电压（Uimax）的导通时间为
（12）
根据式（11）和（12）可以得到开关周期（频率）与不同电压比的关系。
例如，假定导通时间为10μs，1.414Uimin/Uo=0.65，如果输入电压在±20%范围变化，最低输入电压为220×0.8，输出电压为Uo=1.414×220×0.8/0.65＝383V。
周期为10/0.35=28.57μs，频率为35kHz。
在15°时，周期为12μs,相当于开关频率为83kHz。
在最高输入电压时，由式（12）得到最高电压导通时间Tonh＝（0.8/1.2）2×TonL＝4.444μs，在峰值时的开关周期为T＝Tonh/（1-1.414×1.2×220/383）＝176μs，相当于开关频率为5.66kHz。
如果我们。
输出电压提高到410V，最低输入电压时开关周期为25.45μs，开关频率为39.3kHz。
15°时为11.864μs,开关周期为84.5kHz。
输入最高电压峰值时，周期为49.2μs,开关频率为20.3kHz。
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。
通过以上计算可以看到，提高输出电压，开关频率变化范围小，有利于输出滤波。
但是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。
因此，220V±20%交流输入，一般选择输出电压为410V左右。
110V±20%交流输入，输出电压选择210V。
3.最大峰值电流
最大输入电流
电感中最大峰值电流是峰值电流的1倍
（13）
4.决定电感量
为避免音频噪声，在输入电压范围内，开关频率应在20kHz以上。
从以上分析可知，在最高输入电压峰值时，开关频率最低。
故假定在最高输入电压峰值的开关周期为50μs.由式（11）求得
（14）
由式（12）得到最低输入电压导通时间
根据式（8）得到
（15）
5.选择磁芯
因为导通时间随输入电压平方成反比，因此应当在最低电压下选择磁芯尺寸，只要在最低输入电压峰值时避免饱和。
（16）
其中：
N－电感线圈匝数；Ae－磁芯有效截面积；Bm整个窗口铜的截面积
或
（17）
将式（17）代入（16），整理得到
（18）
用AP法选择磁芯尺寸。
6.计算线圈匝数
7.线圈导线截面积
例：
输入220V±20%，输出功率200W，采用临界连续。
假定效率为0.95.
解：
输入最大电流为
A
峰值电流
A
设输出电压为410V，最高输入电压时最低频率为20kHz。
即周期为50μs，因此，导通时间为
μs
输入最低电压峰值时的导通时间
μs
开关周期为
μs
因此，需要的电感量（式（15））
mH
如果采用磁粉芯，选用铁硅铝磁芯。
LI2=1.48×3.382×10-3=16.9mJ,选择77439。
有效磁导率为60，其电感系数AL＝135nH，电感1.48mH需要的匝数为
匝取N＝105匝
77439的平均磁路长度l=10.74cm，磁场强度（Oe）为
Oe
由图得到磁导率为60，H＝21Oe，磁导率下降到90%，为了在给定峰值电流时保持给定电感量，需增加匝数为
匝，选取111匝。
此时磁场强度H＝111×21/105＝22.2Oe，μ下降到0.88,此时电感量
μH＝1.464mH
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（0.8＋1）/2=0.9，接近0.88。
选取电流密度j=5A/mm2，导线尺寸为
mm
选择d=0.63mm,d’=0.70mm,截面积Acu＝0.312mm2。
核算窗口利用系数。
Aw＝4.27cm2,则
77439铁硅铝粉芯外径OD＝47.6mm,内径ID＝23.3mm。
考虑第一层
Nm1=（π（ID-0.5d’-0.05）/1.05d’）-1=96.9实际96匝。
第二层只要15匝
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