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        基于DC-DC轉(zhuǎn)換器PFC電感的設(shè)計

        2012-06-02 01:34:06北方工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院微電子學(xué)系朱青梅牛曉良劉凱田
        電子世界 2012年1期
        關(guān)鍵詞:鐵氧體磁芯氣隙

        北方工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院微電子學(xué)系 朱青梅 牛曉良 劉凱田 易 然

        1.引言

        功率因數(shù)校正即PFC是十幾年電源技術(shù)進步的重大領(lǐng)域,由于在設(shè)計DC-DC轉(zhuǎn)換器中,會產(chǎn)生不同頻率的諧波分量。而諧波對電路的設(shè)計有著重大的危害,包括:(1)對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染;(2)造成諧波壓降;(3)正弦波波形畸變;(4)產(chǎn)生電路故障,變電設(shè)備損壞。因此PFC電感的優(yōu)化設(shè)計成為必要。它的基本原理是:(1)電源輸入電流實現(xiàn)正弦波,正弦波就是使其諧波為零,電流失真因數(shù)THD=1;(2)保證電流相位與輸入電壓相位相同,相移因數(shù)為1;(3)最終實現(xiàn)PFC=1的設(shè)計工作目標(biāo)。

        電感根據(jù)其用途分為:片狀電感、功率電感、色環(huán)電感、豆形電感、立式電感、軸向濾波電感、磁環(huán)電感、空氣芯電感。電感使用的場合:潮濕與干燥、環(huán)境溫度的高低、高頻或低頻環(huán)境、要讓電感表現(xiàn)的是感性,還是阻抗特性等,都要注意。

        2.電感的特性和設(shè)計

        2.1 電感的頻率特性

        在低頻時,電感一般呈現(xiàn)電感特性,既只起蓄能,濾高頻的特性。但在高頻時,它的阻抗特性表現(xiàn)的很明顯。有耗能發(fā)熱,感性效應(yīng)降低等現(xiàn)象。不同的電感的高頻特性都不一樣。鐵氧體材料的電感加以解說:鐵氧體材料是鐵鎂合金或鐵鎳合金,這種材料具有很高的導(dǎo)磁率,他可以是電感的線圈繞組之間在高頻高阻的情況下產(chǎn)生的電容最小。鐵氧體材料通常在高頻情況下應(yīng)用,因為在低頻時他們主要程電感特性,使得線上的損耗很小。在高頻情況下,他們主要呈電抗特性比并且隨頻率改變。實際應(yīng)用中,鐵氧體材料是作為射頻電路的高頻衰減器使用的。實際上,鐵氧體較好的等效于電阻以及電感的并聯(lián),低頻下電阻被電感短路,高頻下電感阻抗變得相當(dāng)高,以至于電流全部通過電阻。鐵氧體是一個消耗裝置,高頻能量在上面轉(zhuǎn)化為熱能,這是由他的電阻特性決定的。

        2.2 電感的設(shè)計

        PFC校正電路有:buck,boost,Cuk,F(xiàn)lyback,SEPIC。下面以Boost電路且PFC電感工作于臨界導(dǎo)通模式(CRM)為例來詳細的說明PFC電感的設(shè)計過程。Boost基本電路結(jié)構(gòu)如圖(1)所示,其中L電感就是所要設(shè)計的目標(biāo),M1為功率開關(guān)管,Co為輸出儲存電壓,所以該電容值一般比較大,且為電解電容。RL為負載。D1為續(xù)流二極管,防止M1和開和關(guān)電流急劇變化損壞電路元器件,在電路中也起反向截止的作用。CRM控制法的工作流程:(1)功率開關(guān)零電流導(dǎo)通電感電流線性上升;(2)當(dāng)峰值電流達到跟蹤的參考電流(正弦波)時開關(guān)關(guān)斷,電感電流線性下降到零;(3)開關(guān)再次開通

        對于給定的輸入電壓和負載,開關(guān)頻率也要隨著輸入交流電壓瞬時值的變化而變化的。因此選擇正弦交流輸入的峰值點設(shè)計,開關(guān)頻率最小,正弦值等于1。

        已知條件:交流電的輸入范圍:185~266V,頻率為5O/6OHz,輸出功率:28W,功率因子達到O.9,轉(zhuǎn)換效率至少O.9。要求PFC升壓能夠達到4OOV。

        由此輸入電流的有效值為那么流過PFC電感的峰值電流為:

        由于電感是零電流導(dǎo)通,且導(dǎo)通時間Ton固定的CRM PFC電感,基本上工作在臨界狀態(tài)。在Ton期間,電感電流由零增至△IL(wt):

        圖1 Boost基本電路架構(gòu)

        圖2 軟件仿真結(jié)果

        圖3 搭制的硬件電路板

        圖4 實驗仿真結(jié)果

        圖5 整個電路的PF因子測試結(jié)果

        而在Toff期間,電感電流由△IL(wt)減小至零,△IL(wt)的另一表達式如下:

        由(6)和(7)式得到電感的占空比為:

        對于CRM PFC,變換器的開關(guān)頻率f是隨時間而變化的,當(dāng) 時,

        fwt的最小值為:

        由(12)式推出PFC升壓電感的公式如下:

        要求 ,其中,VO=4OOV,

        PO=28W.η=O.9,由于Vin輸入范圍為185~266V,求得L=4.96(mH)。這個是電感的最大值。

        2.3 磁芯尺寸和繞組圈數(shù)的選取

        磁芯尺寸的選取,可按下列經(jīng)驗公式計算出磁芯的最小有效體積Vcmin,再從從磁芯廠家的產(chǎn)品目錄中找到合適的磁芯,其Ve≥Vemin

        代入值得到:Vemin=562(mm3),但是注意電感流過的電流為O.5A,選取線徑為O.2mm的就夠了。

        設(shè)所選定磁芯的有效截面積Ae(m2),則可由下式求得電感器繞組的圈數(shù)為:

        2.4 磁芯氣隙尺寸的計算

        電感器磁芯的尺寸和繞組的圈數(shù)確定以后,為使繞組的電感值等于所選定的電感值L,通常都要在磁芯中柱磨削加工一個長度l0(m)的氣隙(或在磁芯的邊柱間加墊厚度為l0/2的絕緣片)。

        可用下面的提供的公式,近似地計算出氣隙的長度l0,再根據(jù)樣品的測試結(jié)果稍作調(diào)整,而最后確定l0的值。

        式中:μO=1.257*1O-6(H/m),為真空的磁導(dǎo)率(磁常數(shù));Kl=1.2~1.6,為修正系數(shù)??紤]氣隙處磁密分布的邊緣效應(yīng)而引入的修正系數(shù)Kl,與氣隙的大小有關(guān),l0較大時,應(yīng)選用較大的Kl值。Ae=19(mm2)。得到:l0=1.4723(mm)

        3.實驗結(jié)果

        從圖2的仿真結(jié)果來看,輸出端的電壓能夠穩(wěn)定在45OV左右,該圖使用的仿真軟件為ORCAD。

        圖4的綠色曲線代表的是輸出端電壓,從結(jié)果來看輸出端電壓穩(wěn)定在4OOV左右

        從圖5的測試結(jié)果來看,PFC校正系數(shù)達到設(shè)計要求,為O.951。

        4.PFC電感設(shè)計方法總結(jié)

        (1)弄清所選擇的控制方法:一般講連續(xù)模式有:峰值電流控制、平均電流控制和滯環(huán)控制等方法。此外還有電感電流臨界模式和斷續(xù)模式,可以參考相關(guān)書籍

        (2)弄清輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)對電感設(shè)計的影響,尋找最惡劣條件的情況下,如果電感參數(shù)滿足設(shè)計要求,那么在任何工作范圍內(nèi)電感設(shè)計滿足要求。

        (3)計算電感時應(yīng)密切關(guān)注電感上的電流變化,電感上的電壓的變化及其變化的時間即伏秒面積。并遵循能量守恒下電感電流不能突變的原則分析。

        [1]《Switch-Mode Power Supply SPICE Simulation Cookbook》by Christophe P.Basso,Daniel M.Mitchell,Christopher Basso,McGrew-Hill,Inc.19 March,2001.

        [2]《軟磁鐵氧體磁心開關(guān)電源變壓器的原理與設(shè)計》,何可人編著,大比特資訊培訓(xùn)中心教材(2004年).

        [3]《PFC Convertor Design with IR1150 one Cycle control IC》By R.Brown M.Soldano,INternational Rectif i er.

        [4]《L6561,Enhanced Transition Mode Power Factor Corrector》By Claudio Adragna,SGSThomson.

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