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1、基于DC-DC转换器PFC电感的设计【摘要】本文主要是针对实际DC-DC应用电路，Boost升压电路中的PFC 电感的设计进行了理论的分析和实验的验证。从设计的指标开始，如何推出电路 中所需的电感值，给出了理论公式的推导，实验结果证明设计的PFC(功率因数 校正)电感满足要求。【关键词】DC-DC；功率因索校正；电感Abstract： The theoretical analysis and experiments of the PFC inductance used in the Boost circuit arc presented in this papcr.To launch the
2、circuit inductance value under knovvning the index of designing,put forward the theoretical equation.The experimental results prove that designing of PFC (power factor correction) inductance meets the requirements.Key words： DC-DC； PFC； inductance1 引言功率因数校正即PFC是十几年电源技术进步的重大领域，由于在设计 DC-DC转换器中，会产牛不同频率
3、的谐波分量。而谐波对电路的设计有着重大 的危害，色括二(1)对电网产牛谐波污染；(2)造成谐波压降；(3)正弦波波形 畸变；(4)产牛电路故障，变电设备损坏。因此PFC电感的优化设计成为必要。 它的基本原理是：(1)屯源输入屯流实现正弦波，正弦波就是使其谐波为零，电 流失真因数THD-1； (2)保证电流相位与输入电压相位相同，相移因数为1； (3) 最终实现PFC=1的设计工作H标。(1)(2)(3)电感根据其用途分为：片状屯感、功率电感、色环电感、豆形电感、立式电 感、轴向滤波电感、磁环电感、空气芯电感。电感使用的场合：潮湿与干燥、环 境温度的高低、高频或低频环境、要让电感表现的是感性，还
4、是阻抗特性等，都 要注意。2. 电感的特性和设计2.1电感的频率特性在低频吋，电感一般呈现电感特性，既只起蓄能，滤高频的特性。但在高频时，它的阻抗特性表现的很明显。有耗能发热，感性效应降低等现象。不同的电 感的高频特性都不一样。铁氧休材料的电感加以解说：铁氧体材料是铁镁合金或 铁鎳合金，这种材料具有很高的导磁率，他可以是电感的线圈绕组之间在高频高 阻的情况下产牛的电容最小。铁氧体材料通常在高频情况下应用，因为在低频时 他们主要程电感特性，使得线上的损耗很小。在高频情况下，他们主要呈电抗特 性比并且随频率改变。实际应用小，铁氧体材料是作为射频电路的高频衰减器使 用的。实际丄，铁氧体较好的等效于电
5、阻以及电感的并联，低频下电阻被电感短 路，高频下电感阻抗变得相当高，以至于电流全部通过电阻。铁氧体是i个消耗 装置，高频能量在上面转化为热能，这是由他的电阻特性决定的C2.2电感的设计PFC 校正电路有：buck, boost, Cuk, Flyback, SEPICo 下面以 Boost 电路 且PFC电感工作于临界导通模式(CRM)为例来详细的说明PFC电感的设计过 程。Boost基本电路结构如图(1)所示，其中L电感就是所要设计的F1标，Ml 为功率开关管，Co为输出储存电压，所以该电容值一般比较大，且为电解电容。 RL为负载。D1为续流二极管，防止Ml和开和关电流急剧变化损坏电路兀器件
6、, 在电路中也起反向截止的作用。CRM控制法的工作流程：(1)功率开关零电流 导通电感电流线性上升；(2)当峰值电流达到跟踪的参考电流(正弦波)时开关 关断，电感电流线性下降到零；(3)开关再次开通对于给定的输入电压和负载，开关频率也姜随着输入交流电压瞬吋值的变化 而变化的因此选择正弦交流输入的峰值点设计，开关频率最小，正弦值等于lo已知条件：交流电的输入范ffl： 185266V,频率为50/60HZ,输出功率：28W,功率因子达到0.9,转换效率至少0.9。要求PFC升压能够达到400V。由此输入电流的有效值为(4)那么流过PFC电感的峰值电流为：(5)由于电感是零电流导通，且导通时间To
7、n固定的CRM PFC电感，基本JL工 作在临界状态。在Ton期间，电感电流由零增至 IL(wt)：(6)血一在Toff期间，电感电流由 IL(wt)减小至零，IL(wt)的另一表达式如下:由(6)和(7)式得到电感的占空比为：(8)再由式(9)因为 (10)由式(8) (9)可得：(11)对于CRM PFC,变换器的开关频率f是随时间而变化的，当时，fwt的最小值为：(12) 取由(12)式推出PFC升压电感的公式如下：(13) 要求,其中，V0=400V, P0=28W.r|=0.9,由于Vin输入范围为185 266V,求得L=4.96 (mH)。这个是电感的最大值。2.3磁芯尺寸和绕组
8、圈数的选取磁芯尺寸的选取，可按下列经验公式计算出磁芯的最小有效体积Vcmin,再 从从磁芯厂家的产詁F1录中找到合适的磁芯，其VeVemin(14)即(m-3)代入值得到：Vcmin=562 (mm3)，但是注意电感流过的电流为0.5A,选取 线径为0.2mm的就够了。设所选定磁芯的有效截面积Ae(m2),则可由下式求得电感器绕组的圈数为：(15)其中由公式(6)得到,得到N=3532.4磁芯气隙尺寸的计算电感器磁芯的尺寸和绕组的圈数确定以后，为使绕组的电感值等于所选定的电感值L,通常都要在磁芯中柱磨削加工一个长度lOg)的气隙(或在磁芯的边 柱间加垫厚度为10/2的绝缘片)。可用下面的提供的
9、公式，近似地计算出气隙的长度10,再根据样品的测试结 果稍作调整，而最后确定10的值。(16)式中:g0=1.257*10-6 (H/m),为真空的磁导率(磁常数);Kl=1.21.6,为 修正系数。考虑气隙处磁密分布的边缘效应而引入的修正系数K1,与气隙的人 小有关，10较大时,应选用较大的K1值。Ae=19(mm2)o得到:10=1.4723 (mm)3. 实验结果从图2的仿真结果來看，输出端的电压能够稳定在450V左右，该图使用的 仿真软件为ORCADo图4的绿色曲线代表的是输出端电压，从结果来看输出端电压稳定在400V 左右从图5的测试结果来看，PFC校正系数达到设计要求，为0.951
10、。4. PFC电感设计方法总结(1) 弄清所选择的控制方法：一般讲连续模式有：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) 计算电感吋应密切关注电感上的电流变化，电感丄的电压的变化及其 变化的吋间即伏秒面积。并遵循能量守恒下电感电流不能突变的原则分析参考文献1 Switch-Mode Power Supply SPICE Simulation Cookbookby Christophe P.Bas
11、so,Daniel M.Mitchell,Christopher Basso,McGrew-Hill,Inc. 19 March,2001.2 软磁铁氧体磁心开关电源变压器的原理与设计，何可人编著，大比特资 讯培训中心教材(2004年).3 PFC Convertor Design with IR1150 one Cycle control ICBy R.Brown M.SoldanoJ-Nternational Rectifier.4 L6561,Enhanced Transition Mode Power Factor CorrectorBy Claudio Adragna,SGS-Thoms on.致谢：本文工作受到北方工业大学信息工程学院延续型实验专项资金的支 持，特此感谢。指导教师：姜岩峰，孙海燕，魏淑华
