专家解析：PFC电感计算解析

作者：时间：2011-09-14来源：网络收藏

通常Boost功率电路的PFC有三种工作模式：连续、临界连续和断续模式。控制方式是输入电流跟踪输入电压。连续模式有峰值电流控制，平均电流控制和滞环控制等。

连续模式的基本关系：

1.确定输出电压Uo

输入电网电压一般都有一定的变化范围（Uin±Δ%），为了输入电流很好地跟踪输入电压，Boost级的输出电压应当高于输入最高电压的峰值，但因为功率耐压由输出电压决定，输出电压一般是输入最高峰值电压的1.05~1.1倍。例如，输入电压220V，50Hz交流电，变化范围是额定值的20%(Δ=20)，最高峰值电压是220×1.2×1.414=373.45V。输出电压可以选择390~410V。

2. 决定最大输入电流

电感应当在最大电流时避免饱和。最大交流输入电流发生在输入电压最低，同时输出功率最大时

其中：；－最低输入电压；η－Boost级效率，通常在95%以上。

3.决定工作频率

由功率器件，效率和功率等级等因素决定。例如输出功率1.5kW，功率管为MOSFET，开关频率70~100kHz。

4. 决定最低输入电压峰值时最大占空度

因为连续模式Boost变换器输出Uo与输入Uin关系为，所以

从上式可见，如果Uo选取较低，在最高输入电压峰值时对应的占空度非常小，由于功率开关的开关时间限制（否则降低开关频率），可能输入电流不能跟踪输入电压，造成输入电流的THD加大。

5.求需要的电感量
为保证电流连续，Boost电感应当大于

其中： ,k=0.15~0.2。

6.利用AP法选择磁芯尺寸

根据电磁感应定律，磁芯有效截面积

如果电感是线性的，有

因为Boost电感直流分量很大，磁芯损耗小于铜损耗，饱和磁通密度限制最大值。为保证在最大输入电流时磁芯不饱和，应当有

因此，面积乘积

其中kw=0.3~0.5窗口填充系数，也称为窗口利用系数。BB/(1+k)。由此选择磁芯。

输出功率在1kW以上，一般采用气隙磁芯。因环形磁粉芯价格高，且加工困难，成本高。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的。

7.计算匝数

8.计算导线尺寸（略）

临界连续Boost电感设计

1.临界连续特征
Boost功率开关零电流导通，电感电流线性上升。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。当电感电流下降到零时，开关再次导通。如果完全跟踪正弦波，根据电磁感应定律有

或

其中：Ui、Ii为输入电压和电流有效值。在一定输入电压和输入功率时，Ton是常数。当输出功率和电感一定时，导通时间Ton与输入电压Ui的平方成反比。

2.确定输出电压

电感的导通伏秒应当等于截止时伏秒：

则

开关周期为

可见，输出电压Uo一定大于输入电压Uip，如果输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，即频率很低。

如果首先决定最低输入电压（Uimin）对应的导通时间为TonL，最高输入电压(Uimax)的导通时间为

根据式（11）和（12）可以得到开关周期（频率）与不同电压比的关系。

例如，假定导通时间为10μs，1.414Uimin/ Uo=0.65，如果输入电压在±20%范围变化，最低输入电压为220×0.8，输出电压为Uo =1.414×220×0.8/0.65＝383V。周期为10/0.35=28.57μs，频率为35kHz。在15°时，周期为12μs,相当于开关频率为83kHz。在最高输入电压时，由式（12）得到最高电压导通时间Tonh＝(0.8/1.2)2×TonL＝4.444μs，在峰值时的开关周期为T＝Tonh/(1-1.414×1.2×220/383)＝176μs，相当于开关频率为5.66kHz。

如果我们。输出电压提高到410V，最低输入电压时开关周期为25.45μs，开关频率为39.3kHz。15°时为11.864μs,开关周期为84.5kHz。输入最高电压峰值时，周期为49.2μs,开关频率为20.3kHz。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。
通过以上计算可以看到，提高输出电压，开关频率变化范围小，有利于输出滤波。但是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。因此，220V±20%交流输入，一般选择输出电压为410V左右。110V±20%交流输入，输出电压选择210V。

3.最大峰值电流

最大输入电流

电感中最大峰值电流是峰值电流的1倍