PFC电路简介及设计计算.pdf

1、PFC电 路 简 介 及 设 计 计 算传 统 的 工 频 交 流 整 流 电 路 ， 因 为 整 流 桥 后 面 有 一 个 大 的 ； 要 设 计 一 个 功 率 因 数 校 正 电 路 ，首 先 我 们 要 给 出 我 们 的 ； 已 知 参 数 ： ； 交 流 电 源 的 频 率 fac 50Hz 最 低 交 流 电 压 有 效 ； 开关 频 率 fs 65KHz输 出 电 压 纹 波 峰 峰 值 Vo； 那 么 我 们 可 以 进 行 如 下 计 算 ： ； 1， 输 出 电 流Iout=Pout/Udc=600/； 2， 最 大 输 入 功 率 Pin=Pout/=600/0； 3

2、， 输 入 电 流 最 大 有 效传 统 的 工 频 交 流 整 流 电 路 ， 因 为 整 流 桥 后 面 有 一 个 大 的 电 解 电 容 来 稳 定 输 出 电 压 ， 所 以使 电 网 的 电 流 波 形 变 成 了 尖 脉 冲 ， 滤 波 电 容 越 大 ， 输 入 电 流 的 脉 宽 就 越 窄 ， 峰 值 越 高 ， 有效 值 就 越 大 。 这 种 畸 变 的 电 流 波 形 会 导 致 一 些 问 题 ， 比 如 无 功 功 率 增 加 、 电 网 谐 波 超 标 造 成干 扰 等 。 功 率 因 数 校 正 电 路 的 目 的 ， 就 是 使 电 源 的 输 入 电 流

3、波 形 按 照 输 入 电 压 的 变 化 成 比例 的 变 化 。 使 电 源 的 工 作 特 性 就 像 一 个 电 阻 一 样 ， 而 不 在 是 容 性 的 。 目 前 在 功 率 因 数 校 正 电路 中 ， 最 常 用 的 就 是 由 BOOST变 换 器 构 成 的 主 电 路 。 而 按 照 输 入 电 流 的 连 续 与 否 ， 又 分为 DCM、 CRM、 CCM模 式 。 DCM模 式 ， 因 为 控 制 简 单 ， 但 输 入 电 流 不 连 续 ， 峰 值 较 高 ，所 以 常 用 在 小 功 率 场 合 。 CCM模 式 则 相 反 ， 输 入 电 流 连 续 ，

4、电 流 纹 波 小 ， 适 合 于 大 功 率 场合 应 用 。 介 于 DCM和 CCM之 间 的 CRM称 为 电 流 临 界 连 续 模 式 ， 这 种 模 式 通 常 采 用 变 频 率的 控 制 方 式 ， 采 集 升 压 电 感 的 电 流 过 零 信 号 ， 当 电 流 过 零 了 ， 才 开 通 MOS管 。 这 种 类 型 的控 制 方 式 ， 在 小 功 率 PFC电 路 中 非 常 常 见 。 今 天 我 们 主 要 谈 适 合 大 功 率 场 合 的 CCM模 式的 功 率 因 数 校 正 电 路 的 设 计 。要 设 计 一 个 功 率 因 数 校 正 电 路 ， 首

5、 先 我 们 要 给 出 我 们 的 一 些 设 计 指 标 ， 我 们 按 照一 个 输 出 500W左 右 的 APFC电 路 来 举 例 ：已 知 参 数 ：交 流 电 源 的 频 率 fac 50Hz 最 低 交 流 电 压 有 效 值 Umin 85Vac 最 高 交 流 电压 有 效 值 Umax 265Vac 输 出 直 流 电 压 Udc 400VDC 输 出 功 率 Pout 600W 最 差 状 况 下 满 载 效 率 92%开 关 频 率 fs 65KHz 输 出 电 压 纹 波 峰 峰 值 Voutp-p 10V那 么 我 们 可 以 进 行 如 下 计 算 ：1， 输

6、 出 电 流 Iout=Pout/Udc=600/400=1.5A2， 最 大 输 入 功 率 Pin=Pout/=600/0.92=652W3， 输 入 电 流 最 大 有 效 值 Iinrmsmax=Pin/Umin=652/85=7.67A4， 那 么 输 入 电 流 有 效 值 峰 值 为 Iinrmsmax*1.414=10.85A5， 高 频 纹 波 电 流 取 输 入 电 流 峰 值 的 20%， 那 么 Ihf=0.2*Iinrmsmax=0.2*10.85=2.17A6， 那 么 输 入 电 感 电 流 最 大 峰 值 为 ：ILpk=Iinrmsmax+0.5*Ihf=10

7、.85+0.5*2.17=11.94A7， 那 么 升 压 电 感 最 小 值 为Lmin=(0.25*Uout)/(Ihf*fs)=(0.25*400)/(2.17*65KHz)=709uH8， 输 出 电 容 最 小 值 为 ：Cmin=Iout/(3.14*2*fac*Voutp-p)=1.5/(3.14*2*50*10)=477.7uF， 实 际 电 路 中 还 要 考虑 holdup时 间 ， 所 以 电 容 容 量 可 能 需 要 重 新 按 照 holdup的 时 间 要 求 来 重 新 计 算 。实 际 的 电 路 中 ， 我 用 了 1320uF， 4只 330uF的 并 联

8、 。有 了 电 感 量 、 有 了 输 入 电 流 ， 我 们 就 可 以 设 计 升 压 电 感 了 ！PFC电 路 的 升 压 电 感 的 磁 芯 ， 我 们 可 以 有 多 种 选 择 ： 磁 粉 芯 、 铁 氧 体 磁 芯 、 开 了气 隙 的 非 晶 /微 晶 合 金 磁 芯 。 这 几 种 磁 芯 是 各 有 优 缺 点 ， 听 我 一 一 道 来 。磁 粉 芯 的 优 点 是 ， 值 低 ， 所 以 不 用 额 外 再 开 气 隙 了 。 气 隙 平 均 ， 漏 磁 小 ， 电 磁干 扰 比 较 低 ， 不 易 饱 和 。 缺 点 是 ， 基 本 是 环 形 的 ， 绕 线 比

9、较 困 难 ， 不 过 目 前 市 场上 也 出 现 了 EE型 的 。 另 外 ， 值 随 磁 场 强 度 的 增 加 会 下 降 。 设 计 的 时 候 需 要 反复 迭 代 计 算 。铁 氧 体 磁 芯 的 优 点 是 损 耗 小 ， 规 格 多 ， 价 格 便 宜 ， 开 了 气 隙 后 ， 磁 导 率 稳 定 。 缺点 是 需 要 开 气 隙 ， 另 外 饱 和 点 比 较 低 ， 耐 直 流 偏 磁 能 力 比 较 差 。非 晶 /微 晶 合 金 的 优 点 是 饱 和 点 高 ， 开 气 隙 后 ， 磁 导 率 稳 定 。 同 样 缺 点 是 需 要 开气 隙 。 另 外 ， 大

10、 都 是 环 状 的 。在 此 说 明 一 下 ， 环 形 铁 芯 虽 然 绕 线 比 较 困 难 ， 没 有 E型 什 么 带 骨 架 的 那 种 容 易绕 。 但 是 环 形 铁 芯 绕 出 来 的 电 感 分 布 电 容 小 ， 对 将 来 处 理 电 磁 兼 容 带 来 了 很 多 便利 之 处 。 E型 的 骨 架 绕 线 一 般 都 是 绕 好 几 层 ， 那 么 层 间 电 容 比 较 大 ， 对 EMC产生 不 利 影 响 。 另 外 ， 开 气 隙 的 铁 芯 ， 在 气 隙 处 ， 铜 损 会 变 大 。 因 为 气 隙 处 的 漏 磁在 铜 线 上 产 生 涡 流 损 耗

11、 。 下 面 我 们 就 选 择 一 种 环 形 磁 粉 芯 来 作 为 我 们 PFC电感 的 磁 芯 。 我 们 上 面 已 经 计 算 出 了 几 个 参 数 ：输 入 电 流 最 大 有 效 值 Iinrmsmax=Pin/Umin=652/85=7.67A输 入 电 感 电 流 最 大 峰 值 为 ： ILpk=Iinrmsmax+0.5*Ihf=10.85+0.5*2.17=11.94A升 压 电 感 最 小 值 为 Lmin=(0.25*Uout)/(Ihf*fs)=(0.25*400)/(2.17*65KHz)=709uH下 面 继 续 计 算 ：线 圈 选 择 电 流 密 度

12、 为 5A/平 方 毫 米 ， 那 么 可 以 计 算 出 我 们 需 要 用 的 漆 包 线 的 线 径为 ：2 SQRT(7.67/(5 3.14)=1.4毫 米因 为 我 们 这 是 按 照 最 极 限 的 输 入 电 压 也 就 是 说 按 照 最 大 的 输 入 电 流 时 来 计 算 的 。所 以 电 流 密 度 取 的 裕 量 比 较 大 。 实 际 按 照 不 同 的 成 本 要 求 ， 也 可 以 把 电 流 密 度 取大 一 些 ， 比 如 此 处 取 电 流 密 度 为 8A/平 方 毫 米 的 话 ， 那 么 可 以 得 到 线 径 为 ： 2 SQRT(7.67/(8

13、 3.14)=1.1毫 米 -这 也 是 可 以 接 受 的 。因 为 是 CCM模 式 的 工 作 方 式 ， 基 波 是 低 频 的 半 正 弦 波 ， 在 此 处 我 们 就 不 考 虑 趋肤 效 应 了 。 选 用 单 根 的 漆 包 线 就 可 以 了 。常 用 的 几 个 公 式 ：LI=NBAeL： 电 感 量 ， I： 电 流 ， N： 匝 数 ， B： 磁 感 应 强 度 变 化 量 ， Ae： 磁 芯截 面 积L=N N AlAl： 电 感 系 数H=0.4 3.14 N I/LeH： 磁 场 强 度 ， Le： 磁 路 长 度计 算 磁 芯 大 小 的 方 法 有 几 种

14、 ， 最 常 用 的 就 是 AP法 ， 但 实 际 上 ， 因 为 磁 粉 芯 的 磁导 率 随 磁 场 强 度 变 化 较 大 ， 计 算 经 常 需 要 迭 代 重 复 。 另 外 ， 因 为 磁 环 的 规 格 相 对比 较 少 。 我 们 就 不 用 AP法 计 算 了 。 而 是 直 接 拿 磁 芯 参 数 过 来 计 算 ， 几 次 就 可 以得 到 需 要 的 磁 芯 了 。 经 验 越 丰 富 ， 计 算 就 越 快 了 。适 合 用 来 做 PFC电 感 的 磁 粉 芯 主 要 有 三 类 ： 铁 镍 钼 (MPP)、 铁 镍 50(高 磁 通 )、 铁硅 铝 (FeSiA

15、l)。 其 中 ， 铁 镍 钼 粉 芯 的 饱 和 点 大 概 在 B=0.6附 近 。 而 后 两 者 都 可 以达 到 1以 上 。此 处 ， 我 们 选 用 某 国 产 的 铁 硅 铝 粉 芯 ， 下 面 是 该 粉 芯 的 一 些 特 性 曲 线 图 ：从 图 上 可 以 看 见 ， 当 磁 场 强 度 上 升 的 时 候 ， 磁 导 率 在 下 降 。 那 么 电 感 量 也 就 会下 降 。 所 以 ， 我 们 希 望 电 感 量 在 承 受 直 流 偏 磁 时 不 要 跌 落 的 太 多 ， 那 么 设 计 所 选择 的 磁 场 强 度 就 不 能 太 高 。 我 们 选 用 初

16、 始 磁 导 率 0=60的 铁 硅 铝 粉 芯 ， 那 么 可以 从 图 中 看 到 ， 当 磁 场 强 度 为 100Oe时 ， 磁 导 率 还 有 原 来 的 42%， 而 当 磁 场 强度 为 100Oe时 ， 磁 感 应 强 度 为 0.5T， 远 未 到 饱 和 点 。 我 们 就 把 设 计 最 大 磁 场 强度 定 为 100Oe。那 么 根 据L=N N AlH=0.4 3.14 N I/Le我 们 得 到 的 限 制 条 件 是 ： 0.4 3.14 SQRT(L/Al) I/Le15所 以 可 以 选 择 此 磁 芯 。然 后 ， 根 据 LI=NBAe，709E-6 1

17、1.94=N 0.25 4.22E-4N=80，核 算 一 下 窗 口 面 积 ， 假 如 采 用 直 径 1.4mm的 漆 包 线 ， 那 么 80 1.41.4/100=1.57cm2=884nF， 实 际 Cin可 以 取 值 1uF， Cin值 不 可 太 大 ， 太 大 了 会 造 成 电 流波 形 畸 变 。 具 体 的 值 可 以 在 调 试 的 时 候 再 作 些 调 整 。2， 频 率 设 定 电 阻 Rfreq可 以 从 ICE1PCS01的 设 计 资 料 里 查 图 得 到 ， 65K的 开 关频 率 ， 对 应 的 Rfreq约 为 68K。 3， Rsense电 阻

18、 计 算Rsense=1.6nF， 实 际 取 值 为 2.2nF。电 压 环 路 框 图其 中 ，那 个 整 个 电 压 环 路 的 闭 环 增 益 传 递 函 数 就 是 ：G1就 是 我 们 要 设 计 的 误 差 放 大 器 的 增 益 传 递 函 数 。 那 么 我 们 首 先 要 计 算 出 开 环传 递 函 数 ：我 们 将 前 面 的 设 计 参 数 带 入 上 面 的 公 式 ， 得 到 ：85VAC输 入 ， 满 载 输 出 时 ： f23=0.5707Hz265VAC输 入 ， 满 载 输 出 时 ： f23=0.5665Hz而 G4=R2/(R1+R2)=0.0125673所 以 我 们 可 以 分 别 得 到 85VAC与 265VAC满 负 载 时 的 传 递 函 数 为 ：