PFC 電感是 PFC  電 路 中 的 重 要 部 件 之 一 ，它 的 性能和質(zhì)量不但關(guān)系著自身的效率和壽命 ，還將直接 影響到 PFC 電路技術(shù)指 標(biāo) 的 實(shí) 現(xiàn) 和 可 靠 性 。 鐵 氧 體 具有損耗功率小和價格低的優(yōu)勢 ，但也有飽和磁場強(qiáng) 度 Hs   比較小的缺點(diǎn) 。 在磁路 中 串 聯(lián) 氣 隙 ，就 能 使 Hs    大大提高 ，但有 效 磁 導(dǎo) 率 μ e   會 大 幅 度 地 降 低 ，可 見 ， 氣隙長度有一個最佳值的選擇問題 。 一般來說 ，小氣 隙大磁芯要比大氣隙小磁芯好 ，當(dāng)然也要考慮價格等 因素 。 當(dāng)性 能 與 價 格 發(fā) 生 矛 盾 時 ，價格應(yīng)放在第二 位 ，力求避免不合理的小型化 。 無錫市錦云電感器有限公司

1    確定輸出電壓

PFC 電路的輸 出電壓必須高 于 輸入 最 高 峰 值 電 壓( 如式 (1)所示) ，才能保證在任 何情況下使電感中 儲存與釋放的伏–秒數(shù)保持平衡 。

式中 ，

UO ———PFC 電路的輸出電壓，V ;

VIN( max) ——— 輸入交流最高有效值電壓，V 。

2    磁芯的選擇

2 . 1    磁芯材料性能和幾何形狀的選擇

PFC 電感在電路中是升壓用的 ，在 100Hz 基波電 流上還要疊 加 高 頻 電 流 。 所 以 ，對 PFC  電 感 的 磁 芯 材料的要求很高 ，既要在強(qiáng)的基波電流作用下不飽和 工作 ，又要在高 頻 電 流 下 有 低 的 功 率 損 耗 。 因 此 ，要 選用飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 B s  大 、有效 磁 導(dǎo) 率 μ e  低 以 及 功 率損耗小的磁 材 。 從 可 靠 性 上 來 講 ，還 要 求 μ e   能 隨 著溫升和 工 作 磁 通 密 度 B w   的 增 加 而 增 大 。 現(xiàn) 在 已 經(jīng)有制造商開發(fā) 出 了 高 溫 、高 B s   和高抗直流疊加的 鐵氧體材 料 ，這 種 材 料 制 造 的 磁 芯 很 適 合 用 于 PFC  的電感匹配 。 PQ 型磁芯 具有結(jié)構(gòu)緊湊的幾何 形 狀 ， 有效截面積 A e   大 ，可 減 少 繞 組 匝 數(shù) ;表 面 積 大 ，可 提 高熱輻射能力 ，減少溫升 。

2 . 2    磁芯有效截面積 A e   的計算

應(yīng)根據(jù)電感需要傳遞的功率 、工作頻率和自身功 耗等技術(shù)要求來選擇磁芯的材質(zhì) 、形狀及尺寸 。 在實(shí) 際使用時，A e   需 要 留 有 一 定 裕 量 ，最 終 由 實(shí) 驗 來 確 定 ，可根據(jù)公式 (2)計算 ，

   (2)

式中 ，

A e ——— 磁芯有效截面積 ，mm2  ;        PO ———PFC 電路的輸出功率 ，W ;     η ———PFC 電路的效率 ，一般取 0 . 95 。

3    主繞組電感值的計算

在輸入最高峰值電壓時 ，PFC 電路的開關(guān) 頻 率 為 最低 ，為避免可聞噪 音 的 產(chǎn) 生 ，最小開關(guān)頻率 應(yīng) 大 于 20kHz 。 電感值的計算如式 (3) ，

式中 ，

LP ——— 主繞組電感值 ，mH ;

f sw ( min) ———PFC 電 路 的 最 低 工 作 頻 率 ，f sw ( min)  = 25kHz 。

VIN( max) ——— 輸入最高有效值電壓，V 。

4    主繞組匝數(shù)的計算

PFC 電感是單向激磁 ，B w   的 取 值 一 般 比 較 低 ，從 磁通密度和磁導(dǎo)率的關(guān)系圖中可以看到 ，為避免在工 作時電感值下降太多，B w   的取值應(yīng)低于 200mT ，一 般 取 150～ 180mT 。 主繞組匝數(shù)的計算如式 (4) ，

式中 ，

Np ——— 主繞組的匝數(shù) ，匝 ;

ILP( max) ——— 主繞組中最大峰值電流，A ，

其中，VIN ( min) 為 輸 入 最 低 有 效 值 電 壓 ( V ) ，一 般 考 慮 要比額定電壓低 20% ;

B  ——— 工作磁通密度 ，mT ，

Bw  ≤Bs  /2 ，

其中 B s  為 100℃ 時的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 ( mT) 。 5    輔助繞組匝數(shù)的計算

輔助繞組有 2 個 作 用 ，一 是 控 制 芯 片 ZCD 腳 上的零電流 檢 測 信 號 ，二 是 控 制 芯 片 VCC 腳 的 電 源 。 輔助繞組的匝數(shù)計算如式 (5) ，

式中 ，無錫市錦云電感器有限公司

Naux ——— 輔助繞組的匝數(shù) ，匝 ;

Uaux ——— 輔助繞組工作電壓 ，Uaux ≈14V 。

6    磁芯氣隙長度的計算

計算的氣隙是總的空氣回路的長度 ，在實(shí)驗室里 作墊氣隙 試 驗 時 ，其 每 邊 的 長 度 是 總 氣 隙 長 度 的 一 半 。 量產(chǎn)時不建議采用墊氣隙工藝 ，應(yīng)采用在中心柱 上磨氣隙工藝 。

在磁路中加入氣隙后 ，減小了磁芯的有效磁導(dǎo)率 μ e ，使主繞組 的 電 感 量 降 低 。 請 注 意 ，測 量 時 與 使 用

中的電感量會 存 在 差 異 。 為 了 得 到 實(shí) 用 的 LP   值 ，用 電橋測量時應(yīng)在計算電 感 值 的 基 礎(chǔ) 上 增 加 15% 。 氣 隙長度計算如式 (6) ，

lgap ——— 磁芯氣隙長度 ，cm 。式中 ，

7    功率損耗和溫升的計算

電感的功率損耗 PC   為 磁 芯 損 耗 PFe 與 導(dǎo) 線 損 耗 PCu 兩部分之和 。

線圈銅阻引起的功耗

式中 ，

Irms ——— 流過線圈的有效值電流，A ;

RCu ———25℃ 時的線圈直流電阻 ，Ω 。

磁芯的磁滯和渦流引起的功耗

式中 ，

C m ——— 磁芯功率損耗密度 ，mW / cm3  ;

fα ——— 電感工作頻率 ( Hz)的冪指數(shù) ;

Bβac ——— 交流磁通密度 ( T)的冪指數(shù) ;

Ve ——— 磁芯體積 ，cm3 。

工程上一般 認(rèn) 為 銅 線 損 耗 為 總 損 耗 的 44% 、磁 芯損耗為總損耗的 56% ，是電感的總損耗 PC   為最 小 的技術(shù)方案 。 功率損耗最終要轉(zhuǎn)變成熱量 ，使電感的 溫度上升 ，其溫升數(shù)值還與電感表面積 SA 有關(guān) ，如式 (9) 。 通常把溫升 ΔT 限制在大約 30℃ 之內(nèi) ，

式中 ，

PC ——— 電感的功率損耗 ，mW ;

SA——— 繞好線包后的表面積 ，cm2 。

8    磁滯回線工作點(diǎn)的計算

在外加伏–秒數(shù)的作用下 ，磁芯內(nèi)將產(chǎn)生磁場 ，如 圖 1 所示 ，外加的伏–秒數(shù)與 B -H 平面垂直軸上的振 幅 ΔB ac 成比例 ，并且相應(yīng)的橫軸有 ΔHac 的變化 。 為保 證 ΔB ac 的振幅不超過安全值 B m ，必須有足夠的繞組匝 數(shù)和磁芯面積來平衡外加的伏–秒數(shù) 。 直流電流的平 均值 、繞組匝數(shù)和磁路長度 ( 含氣隙)決定了 H 軸上的 ΔHac 值的位置 。 需要 說 明 ，在 磁 路 中 插入氣隙可加大 Hm  值 ，但不能 改 善 磁 芯 的 交 變 磁 通 量 B m 。 在 任 何 情 況下 ，工作磁滯回線都在 B m  和 Hm   的范圍之內(nèi) 。

圖 1    磁芯的工作磁滯回線

式中 ，

B ac ——— 交流磁通密度，T ，

其中，Vp  為整流后的最大直流電 壓 ( V) ，Vp  ≈ VIN ( max) ; Ton 為導(dǎo)通時間( μs) ，

Bdc ——— 直流磁通密度，T ，

其中 ，μ0  為真空 磁 導(dǎo) 率 ，μ0   = 4π × 10－ 7  ( H / m ) ;Idc 為 直流平均電流 ( A) ，

式中 ，

Hw ——— 磁芯允 許 使 用 的 最 大 不 飽 和 磁 場 強(qiáng) 度 ， Oe ;

l c ——— 磁路平均長度 ，cm ;

μ e ——— 有效磁導(dǎo)率

其中 μi  為初始導(dǎo)磁率 ，l e  為磁路有效長度 ;

H    ——— 最大安全邊界的磁場強(qiáng)度 ，Oe ，H      =

0 . 65H

s

其中 ，Hs  為飽和磁場強(qiáng)度 ( Oe) ，Hs  = μi / μ e 。

為進(jìn)一步了解氣隙式鐵氧體磁場飽和性能 ，設(shè)磁 材 PC40 的 μi  為2 300 ，調(diào)整氣隙使 μ e ≈60 ，則 Hs ≈38 Oe ，Hmax ≈25 Oe 。 由圖 2 可 知 ，鐵 氧 體 的 磁 飽 和 特 性 很硬 ，必須 留 有 足 夠 的 安 全 邊 界 。 磁 導(dǎo) 率 同 樣 為 60 的鐵硅鋁材料 ，它的磁飽和特性就比較軟 ，可 在 適 度 飽和狀態(tài)下工作 。

圖 2    鐵硅鋁與鐵氧體磁芯的性能比較

9    PFC 電感設(shè)計示例

設(shè)計之前應(yīng) 先 明 確 應(yīng) 用 性 能 指 標(biāo) 。 本 設(shè) 計 是 基 于控制芯片 L6562 進(jìn)行的 。

9 . 1    設(shè)計參數(shù)

(1)輸入額定交流電壓 :VIN  = 230V ± 20% ;

(2)輸出直流電壓 :UO  = 430V ;

(3)額定功率 :PO  = 120W ;

(4)預(yù)計效率 :η = 95% 。

9 . 2    PFC 電感的計算

(1)輸出直流電壓

 (2)磁芯有效截面積

如果選 用 PQ26 /25 磁 芯 ，按 廠 家 的 產(chǎn) 品 數(shù) 據(jù) 手 冊 ，查 得 A e  = 119mm2 ，可滿足設(shè)計要求 。

(3) 電感量

(4)主繞組匝數(shù)

(5)輔助繞組匝數(shù)

(6)氣隙長度

注 :量 產(chǎn) 時 ，電 感 量 誤 差 為 ± 3% 。

(7)銅線損耗功率 無錫市錦云電感器有限公司

繞組的基本損 耗來自于線圈的 銅 線 電 阻和 流 過 線圈的電流 。 銅線電阻取決于使用的線徑和總長度 ， 而且還會隨著溫度的升高而變大 ; 由于表皮效應(yīng)和鄰 近效應(yīng) ，電流頻率的升高 ，也會使損耗進(jìn)一步增加 。

(8)磁芯損耗功率可在 功 耗曲 線圖上選擇交叉 點(diǎn)來確定 ，如圖 3 所示 。

還有根據(jù)銅線損耗的數(shù)據(jù) ，以銅磁損耗平衡的原 則來確定磁芯的設(shè)計方法 ;也可以利用制造商提供的 數(shù)據(jù)表 ，用方程式計算 。 限于篇幅 ，這里從略 。

電感溫升與總損耗成正比 ，與表面積成反比 。 按 照優(yōu)化設(shè)計的原則 ，并 不 能 說 明 我 們 設(shè) 計 得 不 錯 ，最終還要看熱平衡 后 的 溫 升 是 否 在 額 定 值 之 內(nèi) 。 在 溫 度上升過程中 ，看 看溫升主要來源于磁芯還是線包 ， 再決定是否需要修正和如何修改設(shè)計 。

圖 3    磁芯功率損耗曲線圖

終還要看熱平衡 后 的 溫 升 是 否 在 額 定 值 之 內(nèi) 。 在 溫 度上升過程中 ，看 看溫升主要來源于磁芯還是線包 ， 再決定是否需要修正和如何修改設(shè)計 。

(9)估算電感溫升

注 :本實(shí)驗電感的溫升為 22℃ 。

檢查磁通密度 和磁場強(qiáng)度的安全邊界是可靠性 設(shè)計不可缺少的 ，有條件時可進(jìn)行測試 。

(10)交流磁通密度

(12)最大不飽和磁場強(qiáng)度

(13)磁場強(qiáng)度 無錫市錦云電感器有限公司

例 如 ，PC40 磁 材 在 100℃ 時 的 飽 和 磁 通 密 度 B s 為 390mT ，對分體燈可留出 35% 的安全裕量 ，即 B w  = 0 . 65B s  = 0 . 65 × 390 = 253 . 5 ( mT) ;按廠家的產(chǎn)品數(shù) 據(jù)手 冊 ，查 得 PQ26 /25 磁 芯 的 l e   = 5 . 43cm 。 由 上 述 計算 可 知 ，總 的 工 作 磁 通 密 度 為 252mT ，工 作 磁 場 強(qiáng) 度為 13 . 4Oe 。 順 便 指 出 : 不 飽 和 磁 場 強(qiáng) 度 留 有 較 大 裕量 ，μ e   調(diào) 整 至 90 亦 是 不 錯 的 選 擇 。 經(jīng) 核 算 : 磁 滯 回線在這個范圍內(nèi)工作是安全的 ，設(shè)計通過 。在輸入電壓最小時 ，根據(jù)安培定律應(yīng)防止磁場強(qiáng)度飽和 ;而輸入電壓 最 大 時 ，根據(jù)法拉第定律應(yīng)防止 磁通密度飽 和 。 鐵 硅 鋁 磁 芯 的 磁 通 量 是 鐵 氧 體 的 2 倍 ，在更大功率的燈電路中 ，宜選用鐵硅鋁磁芯 。