PFC参数设计及理论推算


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摘 要:PFC是功率因数校正,PFC参数一般指PFC滤波电感的参数,本文以电磁理论为基础,逻辑推理,层层深入,揭示了PFC参数同电磁学物理量的定量关系,从而就把线圈匝数、线径大小推导出来,是有理有据分析开关电源的典范。

关键词:电感量,磁导率,有效磁路成长度,磁芯横截面面积,安培环路定律,磁电路磁阻定律

如图1所示,由J1、RT1、RT2、D1、C1、D4、D6、PFC1、C10、L6563S及外围构成了PFC控制电路。J1是交流输入插座。输入电压范围是85~265VAC.输出电压:UO=400V,输出电流:IO=0.5A。根据功率因数公式

η=PO/S (1)

其中PO是有用功率,S是视在功率,也叫总功率。

PO=IOUO (2)

其中IO是有效输出电流,UO是有效输出电流。

S=IINUIN (3)

其中IIN是有效输入电流,UIN 是有效输入电压。于是便得到

η=IOUO /IINUIN (4)

有效输出电流和有效输出电压都是恒定的。则输出功率恒定。当输入电压有效值最小时,输入电流有效值就会最大。

IINmax=IOUO /ηUINmin (5)

取η=0.9 UINmin =85V IINmax=2.61A

当 GD为高电平时,Q1和Q2导通,Q1和Q2的漏极为低电平,二极管D5截止,直流电源对PFC主线圈充电,根据自感应定律:

ξPFC=Ldi/dt (6)

又因为ξPFC=UOM+UD (7)

由于UD 很小UOM是稳定的,因此充电过程中自感应电动势保持常数,则充电电流是线性增加的。

i=UOM t/L (8)

当t=TON时,充电电流达到最大。

IPFCmax=UOM TON/L (9)

TON是QM5的导通时间,也就是开启时间,由于PFC充电电流总是少于最大输入电流有效值。

U设置L6563S的工作频率为100KHz

T=1/f (11) 则T=10μs

又因为T=TON+TOFF+TD (12)

取TON=4μs解得L≧0.613mH(13)

当GD为低电平时,Q1和Q2截止,D5导通,PFC主线圈向负载放电,根据充放电曲线可知,

IPFCmax≧3IO (14) 才能确保连续性的要求。从而解得:

L≦1.067mH (15)

为了符合(13)和(15)的要求,取L=1mH这样,PFC最大充电电流达到1.5A。

OM TON/L ≦IINmax (10)

一、磁通与磁通密度的关系

Φ=BS (16)

式(16)中的Φ代表磁通,单位为韦伯,B代表磁通密度,单位为特斯拉,1特斯拉=1韦伯/米2,S代表磁通截面积,单位是平方米。

1特斯拉=104高斯

二、磁感应强度与磁通强度的关系

B=μH (17)

上式中的H代表磁通强度,单位是伏特每米。

μ是传播媒体中的绝对磁导率,它没有单位,只是一个系数。

三、磁通强度的定义

H=IN/lm =nI (18)

式(28)中的I代表电流强度,单位是安培;N代表线圈匝数,单位是匝;l代表线圈的有效磁路长度,单位是米。n代表线圈密度,意指单位长度的线圈匝数,单位是匝/米。

四、磁感应电动势

在通电线圈中,根据等磁通原理,每匝线圈所产生的电动势都是相同的,而各线圈都是串联的,根据电压叠加原理

ξ=N dΦ/dt (19)

五、自感应电动势

把式(16),式(17),式(18),式(19)和式(20)联系起来得

N2μS/lmdi= Ldi (21)

从而得到变压器线圈或电感线圈的关系式

N=sqrt(Llme/μS) (22)

ξ=Ldi/dt (20)

考虑到漏磁等实际情况,其经验公式为:

N=kDsqrt(Llme/μS) (23)

kD是常数因子,在0~2之间。把已知数据代入,就可以求出变压器一次侧线圈的匝数。

六、安培环路定理

安培环路原理:磁场强度矢量沿任何闭合环路L的线积分,等于穿过这环路的传导电流之和。

对于采用IE、EE和TOP型的磁芯,其磁路方向如图2所示,(a)是IE型的磁路方向,(b)是EE型的磁路方向,(c)是TOP型的磁路方向。

上述给出了变压器设计的理论框架,运用公式都应该知道它的来龙去脉。

很显然,式(22)比式(16)更普适,只要掌握好电磁理论,熟悉变压器磁芯的结构和电磁参数、线圈的线径大小、匝数和绕线方向,就可以求出磁路的磁强大小和方向,就可以對式(22)求积分,并且这样计算出来的结果是精准的。此外,磁路的有效成长度lm是气隙的函数。

lm=f(δ1,δ2) (24)

在特殊的情况下,lm=δ1+δ2 (25)

设δ=δ1+δ2是变压器磁芯的总气隙,则lm=δ (26)

七、磁动势

电和磁是密切相关的,几乎出现振人的巧合,在电学上有电动势,在磁学上有磁动势,电动势因电流和电压而存在,磁动势ξm因电流I和线圈绕组匝数N而存在

ξm=IN (27)

在电学上有电导和电阻,在磁学上磁导和磁阻,电导G与导线的截面积S成正比,与导线成长度l成反比,比例因子是电导率σ

G=σS/l (28)

电阻R与导线的截面积S成反比,与导线成长度l成正比,比例因子是電阻率ρ

R=ρl/S (29)

电导与电阻互为倒数,电导率与电阻率互为倒数,

GR=1 (30)

σρ=1 (31)

磁导Gm与磁芯的截面积Ae成正比,与磁路长度lm成反比,比例因子是磁导率μ

Gm=μAe/lm (32)

磁阻Rm与磁芯的截面积Ae成反比,与磁路长度lm成正比,比例因子是磁阻率ρm

Rm=ρmlm/Ae (33)

磁导与磁阻互为倒数,磁导率与磁阻率互为倒数,

GmRm=1 (34)

μρm=1 (35)

八、全磁路磁阻定律

全磁路磁阻定律是从安培环路定理中得到的,如图3所示。

如图3所示,IIN是一次侧绕组的电流强度,N1是一次侧绕组的线路圈匝数,Io是二次侧绕组的电流强度,N2是二次侧绕组的线路圈匝数,输入磁路经过了2种传播媒质,故此磁路有2个磁阻,一是空气磁阻,在磁芯的接触处,气隙间距δ很小,只有0。01~0.2mm,并且空气的磁导率近似等于真空的磁导率μo。另一个是磁芯磁阻,设磁路的形状呈矩形,长为a,宽为b,那么

Rm1=δ/μoAe (36)

磁芯的磁阻

Rm2=(2a+2b-δ )/μoμrAe (37)

Le=2(a+b)-δ (38)

Le表示磁芯的磁路长度,如图4所示根据全磁路磁阻定律得

对于输入磁路

IINN1=Ф(Rm1+Rm2) (39)

对于输出磁路

IoN2=Ф(Rm1+Rm2) (40)

在没有漏磁出现的且结构对称的理想情况下,由式(39)和式(40)得到安匝守恒定律

IINN1= IoN2 (41)

又因为

Ф=BAe (42)

将式(42),式(36)和式(37)代入(39)和式(40)得

IINN1= IoN2 =B[δ/μo+(2a+2b-δ )/μoμr] (43)

因为μ=μrμo (44)

式(53)中的μr是磁芯的相对磁导率,故我们得到磁芯的有效长度为

Lme=δ+(2a+2b-δ )/μr (45)

当Lme与δ相比拟时,当相对磁导率相当大时,则有Lme≈δ

因为ab=Ae (46)

在粗略计算时,我们命令a=b 则有

a=b=sqrt(Ae ) (47)

我们取η=0.9 因为P总=PO/η=222.2W (48)

PFC磁芯的有效面积为Ae,根据

Ae=Kδsqrt(P总) (49)

其中Kδ是设计经验系数GE型铁芯取1.0~1.4, CD型铁芯取0.6~1.5,我们暂取KD=1.5,从而得到Ae=22.36cm2因此,a=b=4.73cm=47.3mm我们设磁芯的相对磁导率为10,磁隙δ为0.2mm,那么,Lme=19.1mm因为真空磁导率为4π×10-7WB/A.m。Kδ是常数因子,在0~2之间。我们就取1.1。把已知数据代入,就可以求出PFC主线圈的匝数为90匝。再根据PFC所承受的最大电流的大小选择漆包铜线的线径的大小。

d=sqrt(4IPFCmax/ΠJ) (50)

把J=2.8A/mm2,IPFCmax=1.61A,

数据代入,得到d=0.86mm。

九、结论

设计电路容易,确定参数难,这是设计者学习开关电源的共识。只要大家掌握了电磁理论,充分运用安培环路定律和磁电路磁阻定律,电感性元件的参数也是容易确定下来的。