有源功率因數(shù)校正電路中鐵氧體磁心電感器的設(shè)計[]

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1、有源功率因數(shù)校正電路中鐵氧體磁心電感器的設(shè)計[1]有源功率因數(shù)校正電路中鐵氧體磁心電感器的設(shè)計APFCFerriteCoreInductorDesign1．概述當(dāng)交流電源經(jīng)全波整流和大電容濾波后，將平直的直流電壓直接施加于各類變換器及其負(fù)載上時，雖然輸入電壓的波形是正弦波，但輸入電流的波形卻是窄脈沖，因而使線路的電流含有大量的諧波分量，并使變換器的功率因數(shù)大為降低。大量使用這樣的電源設(shè)備，將會產(chǎn)生諸多不良的后果，大量的諧波電流對電網(wǎng)造成嚴(yán)重的電磁干擾和諧波污染，影響其它電器設(shè)備的正常運(yùn)行，引起線路故障，甚至使輸配電設(shè)備損壞；低功率

2、因數(shù)使發(fā)電和輸配電設(shè)備（包括輸電線）的建造成本和運(yùn)行成本增加、效率降低。有鑒于此，歐盟、中國、美國和日本先后制定了電源設(shè)備功率因數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，功率因數(shù)指標(biāo)正在成為一項全球性的強(qiáng)制規(guī)定，而且不再只限于大功率電源設(shè)備，更新的標(biāo)準(zhǔn)被運(yùn)用到僅75W的電源設(shè)備和26W的照明設(shè)備等電子產(chǎn)品中。為了使開關(guān)電源的功率因數(shù)達(dá)到有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的指標(biāo)，通常要在全波整流器和濾波電容器之間加入一個有源功率因數(shù)校正電路（APFC）其原理圖如圖1所示。圖1功率因數(shù)校正電路原理圖由圖1可知，功率因數(shù)校正電路其實就是一個由電感器(L)、開關(guān)管(Q)、整流管(D)、輸出

3、濾波電容器(CO)和控制器(IC)所組成的升壓(Boost)變換器，與一般DC/DC升壓變換器不同的是，其輸入電壓不是平穩(wěn)的直流電壓，而是正弦脈動電壓(Uin)很小。功率因數(shù)校正電路的作用，是憑借控制IC依據(jù)電壓和電流的檢測量，經(jīng)模擬運(yùn)算而產(chǎn)生的高頻驅(qū)動脈沖，來控制開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而控制流經(jīng)電感器的電流，迫使交流電源輸入電流的波形及相位均與輸入電壓的波形和相位趨于一致，使功率因數(shù)得到很大的改善(cosφ≈1.0)。當(dāng)然，輸入電流各次諧波的幅值和總諧波失真(THD)亦隨之顯著降低。功率因數(shù)校正電路因所選用控制IC的類型不同，并

4、使用與其相適應(yīng)的電感器，可使其工作在臨界模式(CRM)或連續(xù)傳導(dǎo)模式(CCM)。CRMPFC常用于100W以下的開關(guān)電源，CCMPFC則適用于200W以上的開關(guān)電源，至于功率在100W～200W之間的開關(guān)電源，設(shè)計人員則應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，選擇合適的電路拓?fù)?。圖3瞬時UL、IL的波形圖2．CCMPFC電感器的設(shè)計2.1變換器的占空比CCMPFC的工作頻率是固定的，為了減少電感器和濾波器的體積，選用較高的頻率為宜，例如f≥100kHz。PFC輸入電壓的波形如圖2所示，忽略整流器壓降時，正弦脈動波形的幅值即：電源電壓（正弦波）

5、的幅值U1m，而對應(yīng)于某時刻t的PFC輸入電壓的瞬時值則為：圖2PFC輸入電壓的波形U1(?t)?U1m?sin?t(V)(1)式中，0???t??，??2???fc，fc為電源電壓的頻率。在開關(guān)管導(dǎo)通期間?t?Ton(s)整流管截止，負(fù)載由電容器供電。在電感器儲能的過程中，電感器的端壓為U1(?t)設(shè)繞組的電感值為L(H)，則電流增量由零增加至?IL(?t)：?IL(?t)?U1(?t)L(A)(2)在開關(guān)管截止期間（對于連續(xù)傳導(dǎo)模式?t?Toff?T?Ton），整流管導(dǎo)通，電感器的儲能釋放電感電流向負(fù)載及電容器供電。在此期間，

6、電感器的端壓為Uo?U1(?t)，其電流增量由?IL(?t)減小至零，?IL(?t)的另一表達(dá)式如下：?IL(?t)?Uo?U1(?t)L?Toff（A）（3）由于變換器的工作頻率比電源電壓的頻率高得多，故可以認(rèn)為對應(yīng)于某時刻t的電壓U1(?t)在周期T內(nèi)保持不變，其值由式(1)確定。瞬時電感端壓UL與電感電流IL的波形圖如圖3所示。由于變換器在連續(xù)傳導(dǎo)模式下工作，某時刻t的電感電流為電流增量與直流分量ILdc之和，而電感電流的平均值則為：IL(?t)?ILdc(?t)?12?IL(?t)(A)(4)由式(2)和(3)，可得到如下

7、的等式：U1(?t)L?Ton?Uo?U1(?t)L?Toff即：U1(?t)?Ton??Uo?U1(?t)???T?Ton?由上式可求得變換器的占空比D(?t)：D(?t)?TonT?1?U1(?t)Uo?1?U1mUo?sin?t（5）當(dāng)輸入電壓為最大值?U1m?U1mmax?，且?t?Dmin?1?U1mmaxUo?2時，最小占空比為：（6）為保證Dmin?0，應(yīng)選取Uo?U1mmax。2.2電感電流IL頻率固定，平均電流法控制的CCMPFC中，電感電流IL的波形如圖4中的實線所示。IL的波形帶有鋸齒形的紋波，其頻率與開關(guān)頻

8、率相同；IL的平均值IL(?t)則跟蹤輸入電壓U1(?t)按正弦波規(guī)律變化，并與U1(?t)的相位相同，其波形如圖4中的虛線所示。設(shè)PFC的輸出功率為Po(W)，效率為η，因為PFC的功率因數(shù)cosφ≈1.0，故電感電流的有效值ILrms為：ILr