交通运输FPC电感计算南航周洁敏.pptx

2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC1 1AC/DCAC/DC整流电路中电流波形整流电路中电流波形功率因数定义：功率因数定义：2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC2 2谐波电流对电网的危害谐波电流对电网的危害THD-Total Harmonic Distortion小知识小知识(1)对电网产生谐波污染对电网产生谐波污染（2）造成谐波压降）造成谐波压降（3）正弦电压波形畸变）正弦电压波形畸变（4）产生电路故障，）产生电路故障，变电设备损坏。变电设备损坏。谐谐波波的的危危害害2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC3 3利用利用BoostBoost电路进行电路进行PFCPFC校正校正 电流相位与输入电压电流相位与输入电压保持同相位，保持同相位，PF为为1。总谐波失真率总谐波失真率输入电流实现正弦波，输入电流实现正弦波，输入电流实现正弦波，输入电流实现正弦波，使电流失真因数为使电流失真因数为使电流失真因数为使电流失真因数为00。功率因数与功率因数与失真度的关系失真度的关系 功率因数功率因数校正的目的校正的目的2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC4 4研究对象的选择：研究对象的选择：一般以一般以Boost 电路和反激式电路为讨论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，这儿由于时间关方式，后者用于断续模式，这儿由于时间关系只讨论系只讨论Boost电路电感的计算与设计。电路电感的计算与设计。PFC校正电路有校正电路有buckboostFlybackSEPICCuk2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC5 5Boost PFCBoost PFC控制模式控制模式Boost PFCBoost PFC控制模式控制模式连续模式（CCM）临界模式（CRM,BCM）断续模式（DCM）CCM(Continuous Current Mode)BCM(Boundary Conduction Mode)CRM(Critical Conduction Mode)DCM(Discontinuous Current Mode)小知识小知识2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC6 6BOOST PFCBOOST PFC控制模式控制模式CCMCCMCCM特点：（1）峰值电流控制）峰值电流控制（2）滞环电流控制）滞环电流控制（3）平均电流控制）平均电流控制适用场合适用场合大功率场合大功率场合可恒定（平均电流控制）可恒定（平均电流控制）可变化（如滞环控制）可变化（如滞环控制）开关频率开关频率控制方法三种控制方法三种滞环电流滞环电流控制控制CCM2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC7 7BOOST PFCBOOST PFC控制模式控制模式CRMCRM开关频率不固定开关频率不固定BCM特点：可获得单位功率因数可获得单位功率因数1 1适用中小功率场合适用中小功率场合导通时间固定导通时间固定使电感电流始终使电感电流始终处于处于BCM模式模式2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC8 8BOOST PFCBOOST PFC控制模式控制模式DCMDCMDCM特点1、占空比近似不变、占空比近似不变时电感电流的峰值时电感电流的峰值与输入电压成正比。与输入电压成正比。2、输入电流波形自然、输入电流波形自然跟随输入电压波形跟随输入电压波形3、功率管峰值电流大、功率管峰值电流大2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC9 9PFCPFC的控制方法的控制方法:连续模式的控制方法连续模式的控制方法2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC1010讨论的内容讨论的内容一、连续模式的电感设计一、连续模式的电感设计二、临界连续模式电感设计二、临界连续模式电感设计2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC11111 1、确定输出电压、确定输出电压 连续模式的电感设计连续模式的电感设计 输出电压可以选择输出电压可以选择390410V输入电压输入电压220V，50Hz，变化范围是额定值的，变化范围是额定值的20%(=20)，最高峰值电压是：最高峰值电压是：（1）输入电网电压变化范围）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）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）输出电压一般是输入最高峰值的1.051.1倍倍例如例如2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC12121 1、确定输出电压、确定输出电压 连续模式的电感设计连续模式的电感设计（U in%）2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC13132 2、确定最大输入电流、确定最大输入电流 连续模式的电感设计连续模式的电感设计（1 1）电感应当在最大电流时避免饱和。）电感应当在最大电流时避免饱和。（2 2）最大电流发生在输入电压最低，并且）最大电流发生在输入电压最低，并且输出功率最大时。输出功率最大时。2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC14143 3、确定工作频率、确定工作频率 连续模式的电感设计连续模式的电感设计功率器件功率器件效率效率输出功率等级输出功率等级工工作作频频率率例如例如输出功率输出功率1500W功率管为功率管为MOSFET开关频率开关频率70100kHz2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC1515 4.4.确定最低输入电压峰值时最大占空度确定最低输入电压峰值时最大占空度（1 1）根据）根据BoostBoost电路的公式，占空度最大发生在电路的公式，占空度最大发生在什么时候？什么时候？（2）极限情况，不应造成输入电流失真。）极限情况，不应造成输入电流失真。2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC16165 5、求需要的电感量、求需要的电感量 连续模式的电感设计连续模式的电感设计电感中电流波形电感中电流波形2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC17175 5、求需要的电感量、求需要的电感量 连续模式的电感设计连续模式的电感设计2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC18185 5、求需要的电感量、求需要的电感量 连续模式的电感设计连续模式的电感设计电感电流变化量定义系数：定义系数：2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC19196 6、利用、利用APAP法选择磁芯尺寸法选择磁芯尺寸 连续模式的电感设计连续模式的电感设计Boost电路磁芯工作在电路磁芯工作在磁化曲线的第一象限。磁化曲线的第一象限。2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC20206 6、利用、利用APAP法选择磁芯尺寸法选择磁芯尺寸 连续模式的电感设计连续模式的电感设计小知识小知识AP法选择磁芯法选择磁芯:(2)求窗口面积求窗口面积Aw(1)求磁芯有效截面积求磁芯有效截面积A e查表选磁芯型号查表选磁芯型号求A e2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC21216、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电感磁芯的工作在磁化曲线的第一象限磁化曲线的第一象限求磁感应求磁感应B的工作范围的工作范围如果电感线性的如果电感线性的2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC22226、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）最大输入电流不饱和B的选择的选择Boost电感特点电感特点（A）直流分量很大）直流分量很大（B）磁芯损耗小于铜损耗）磁芯损耗小于铜损耗2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC23236、利用AP法选择磁芯尺寸 连续模式的电感设计 N匝导线的面积匝导线的面积求求Aw2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC24246、利用AP法选择磁芯尺寸 连续模式的电感设计 B的选择依据：的选择依据：小于B/(1+k)2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC25256、利用AP法选择磁芯尺寸 连续模式的电感设计 输出功率在输出功率在1kW1kW以上，一般采用气隙磁芯。以上，一般采用气隙磁芯。因环形磁粉芯价格高，且加工困难。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圈，造成附加损耗，这在工艺上应当注意的。的。2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC26267 7、计算匝数、计算匝数2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC2727临界临界Boost电感设计电感设计2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC28281 1、临界连续特征、临界连续特征 CRMCRM电感设计电感设计 CRM控制法控制法（1）功率开关零电流导通）功率开关零电流导通（2）电感电流线性上升）电感电流线性上升（3）当峰值电流达到）当峰值电流达到跟踪的参考电流（正弦跟踪的参考电流（正弦波）时开关关断，电感波）时开关关断，电感电流线性下降到零。电流线性下降到零。（4）开关再次开通。）开关再次开通。2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC29291 1、临界连续特征、临界连续特征 CRMCRM电感设计电感设计 或或输出功率即即2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC30302 2、确定输出电压、确定输出电压 CRMCRM电感设计电感设计 电感的导通伏秒应当等于截止时伏秒电感的导通伏秒应当等于截止时伏秒输出电压输出电压U o一定大于输入电压一定大于输入电压U ip，如果输，如果输出电压接近输入电压，在输入电压峰值附近，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，截止时间远大于导通时间，开关周期很长，即频率很低。即频率很低。2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC31312 2、确定输出电压、确定输出电压 CRMCRM电感设计电感设计 符号定义2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC3232例题例题 CRCRMM电感设计电感设计 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如果输入电压在如果输入电压在20%范围变化范围变化;最低输入电压为最低输入电压为2200.8=176V;输出电压输出电压: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。2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC3333CRCRMM电感设计电感设计在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，在峰值时的开关周期为TTonh/(1-1.4141.2220/383)176s，相当于开关频率为5.66kHz。2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC3434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电感设计电感设计2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC3535结论结论（1）提高输出电压，开关频率）提高输出电压，开关频率变化范围小，有利于输出滤波。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，一般选择交流输入，一般选择输出电压为输出电压为410V左右。左右。（4）110V20%交流输入，输出电压交流输入，输出电压选择选择210V。CRM电感设计电感设计2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC36363 3、最大峰值电流、最大峰值电流 CRMCRM电感设计电感设计 最大输入最大输入电流有效值电流有效值电感中最大电感中最大峰值电流峰值电流2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC37374 4、决定电感量、决定电感量 CRCRMM电感设计电感设计 （1）开关频率应在）开关频率应在20kHz以上，避免噪音。以上，避免噪音。（2）最高输入电压峰值时，开关频率最低。）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假定最高输入电压峰值的开关周期为50s。选择原则取2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC38385 5、选择磁芯、选择磁芯 CRCRMM电感设计电感设计 磁芯选择原则应考虑最恶劣情况不饱和最低电压输入最低电压输入峰值不饱和峰值不饱和最大最大为减少损耗，应选择饱和磁感应的为减少损耗，应选择饱和磁感应的70%。最大磁通密度最大磁通密度2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC39395 5、选择磁芯、选择磁芯 CRCRMM电感设计电感设计 整个窗口整个窗口铜的截面积铜的截面积 窗口系数窗口系数用用AP法选择磁芯尺寸法选择磁芯尺寸 2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC40406、计算线圈匝数 CRMCRM电感设计电感设计 2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC41417 7、线圈导线截面积、线圈导线截面积 CRMCRM电感设计电感设计 2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC4242CRMCRM电感设计电感设计 例题例题例：输入例：输入220V20%，输出功率，输出功率200W，采用临界连续（采用临界连续（CRM）,假定效率为假定效率为0.95。解：输入最大电流为峰值电流2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC4343临界模式电感设计 例题例题设输出电压为设输出电压为410V，最高输入电压时最低频率，最高输入电压时最低频率为为20kHz。即周期为。即周期为50s，因此，导通时间为，因此，导通时间为输入最低电压峰值时的导通时间2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC4444临界模式电感设计 例题例题开关周期为开关周期为需要的电感量需要的电感量 2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC4545临界模式电感设计 例题例题如果采用磁粉芯，选用铁硅铝磁芯。如果采用磁粉芯，选用铁硅铝磁芯。电感系数电感系数电感电感选择选择77439,有效磁导率为有效磁导率为60.需要的匝数为需要的匝数为2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC4646临界模式电感设计 例题例题 77439的平均磁路长度的平均磁路长度l=10.74cm，磁场，磁场强度为强度为 磁导率为磁导率为60，H21Oe，当磁导率下，当磁导率下降到降到90%时，为了在给定峰值电流时时，为了在给定峰值电流时保持给定电感量，需增加匝数为：保持给定电感量，需增加匝数为：2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC4747临界模式电感设计 例题例题此时磁场强度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。2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC4848临界模式电感设计 例题例题选取电流密度j=5A/mm2，导线尺寸为：选择：核算窗口利用系数:则:2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC4949临界模式电感设计 例题例题77439铁硅铝粉芯外径内径考虑第一层实际96匝 第二层只要15匝。2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC5050PFCPFC的电感计算方法总结的电感计算方法总结（1）弄清所选择的控制方法）弄清所选择的控制方法 一般来讲连续模式有：峰值电流控制、平均电流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。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，）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。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，）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。遵循能量守恒下电感电流不能突变的原则分析。2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC5151PFCPFC的电感计算方法总结的电感计算方法总结（5）利用）利用AP法计算法计算 计算磁芯的有效磁芯面积和磁芯窗口面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积，再查表选择磁芯。初步设计后并核算窗口利用系数。口利用系数。（4）磁性材料设计时应注意磁芯磁场的工作）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温度等条件下选择BS。2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC5252附录附录1 1：常规：常规BoostBoost电路工作的三种模式电路工作的三种模式2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC5353附录附录2 2：直流输入与交流输入模式比较：直流输入与交流输入模式比较三种电感电流模式三种电感电流模式CCMCRMDCMCCMDCMDRMPFC电感电流形状电感电流形状2024/8/10 2024/8/10 周周六六PFCPFC5454PFCPFC电感设计电感设计