高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例

功率因數(shù)校正電路的目的，就是使電源的輸入電流波形按照輸入電壓的變化成比例的變化。使電源的工作特性就像一個(gè)電阻一樣，而不在是容性的。

目前在功率因數(shù)校正電路中，最常用的就是由BOOST變換器構(gòu)成的主電路。而按照輸入電流的連續(xù)與否，又分為DCM、CRM、CCM模式。DCM模式，因?yàn)榭刂坪唵?，但輸入電流不連續(xù)，峰值較高，所以常用在小功率場合。CCM模式則相反，輸入電流連續(xù)，電流紋波小，適合于大功率場合應(yīng)用。介于DCM和CCM之間的CRM稱為電流臨界連續(xù)模式，這種模式通常采用變頻率的控制方式，采集升壓電感的電流過零信號，當(dāng)電流過零了，才開通MOS管。這種類型的控制方式，在小功率PFC電路中非常常見。

今天我們主要談適合大功率場合的CCM模式的功率因數(shù)校正電路的設(shè)計(jì)。

要設(shè)計(jì)一個(gè)功率因數(shù)校正電路，首先我們要給出我們的一些設(shè)計(jì)指標(biāo)，我們按照一個(gè)輸出500W左右的APFC電路來舉例：

已知參數(shù)：

交流電源的頻率fac——50Hz

最低交流電壓有效值Umin——85Vac

最高交流電壓有效值Umax——265Vac

輸出直流電壓Udc——400VDC

輸出功率Pout——600W

最差狀況下滿載效率η——92%

開關(guān)頻率fs——65KHz

輸出電壓紋波峰峰值Voutp-p——10V

那么我們可以進(jìn)行如下計(jì)算：

1，輸出電流Iout=Pout/Udc=600/400=1.5A

2，最大輸入功率Pin=Pout/η=600/0.92=652W

3，輸入電流最大有效值Iinrmsmax=Pin/Umin=652/85=7.67A

4，那么輸入電流有效值峰值為Iinrmsmax*1.414=10.85A

5，高頻紋波電流取輸入電流峰值的20%，那么Ihf=0.2*Iinrmsmax=0.2*10.85=2.17A

6，那么輸入電感電流最大峰值為：ILpk=Iinrmsmax+0.5*Ihf=10.85+0.5*2.17=11.94A

7，那么升壓電感最小值為Lmin=(0.25*Uout)/(Ihf*fs)=(0.25*400)/(2.17*65KHz)=709uH

8，輸出電容最小值為：Cmin=Iout/(3.14*2*fac*Voutp-p)=1.5/(3.14*2*50*10)=477.7uF，實(shí)際電路中還要考慮hold up時(shí)間，所以電容容量可能需要重新按照hold up的時(shí)間要求來重新計(jì)算。實(shí)際的電路中，我用了1320uF，4只330uF的并聯(lián)。

有了電感量、有了輸入電流，我們就可以設(shè)計(jì)升壓電感了！

PFC電路的升壓電感的磁芯，我們可以有多種選擇：磁粉芯、鐵氧體磁芯、開了氣隙的非晶/微晶合金磁芯。這幾種磁芯是各有優(yōu)缺點(diǎn)，聽我一一道來。

磁粉芯的優(yōu)點(diǎn)是，μ值低，所以不用額外再開氣隙了。氣隙平均，漏磁小，電磁干擾比較低，不易飽和。缺點(diǎn)是，基本是環(huán)形的，繞線比較困難，不過目前市場上也出現(xiàn)了EE型的。另外，μ值隨磁場強(qiáng)度的增加會下降。設(shè)計(jì)的時(shí)候需要反復(fù)迭代計(jì)算。

鐵氧體磁芯的優(yōu)點(diǎn)是損耗小，規(guī)格多，價(jià)格便宜，開了氣隙后，磁導(dǎo)率穩(wěn)定。缺點(diǎn)是需要開氣隙，另外飽和點(diǎn)比較低，耐直流偏磁能力比較差。

非晶/微晶合金的優(yōu)點(diǎn)是飽和點(diǎn)高，開氣隙后，磁導(dǎo)率穩(wěn)定。同樣缺點(diǎn)是需要開氣隙。另外，大都是環(huán)狀的。

在此說明一下，環(huán)形鐵芯雖然繞線比較困難，沒有E型什么帶骨架的那種容易繞。但是環(huán)形鐵芯繞出來的電感分布電容小，對將來處理電磁兼容帶來了很多便利之處。E型的骨架繞線一般都是繞好幾層，那么層間電容比較大，對EMC產(chǎn)生不利影響。另外，開氣隙的鐵芯，在氣隙處，銅損會變大。因?yàn)闅庀短幍穆┐旁阢~線上產(chǎn)生渦流損耗。

下面我們就選擇一種環(huán)形磁粉芯來作為我們PFC電感的磁芯。我們上面已經(jīng)計(jì)算出了幾個(gè)參數(shù)：

輸入電流最大有效值Iinrmsmax=Pin/Umin=652/85=7.67A

輸入電感電流最大峰值為：ILpk=Iinrmsmax+0.5*Ihf=10.85+0.5*2.17=11.94A

升壓電感最小值為Lmin=(0.25*Uout)/(Ihf*fs)=(0.25*400)/(2.17*65KHz)=709uH

下面繼續(xù)計(jì)算：

線圈選擇電流密度為5A/平方毫米，那么可以計(jì)算出我們需要用的漆包線的線徑為：

2×SQRT(7.67/(5×3.14))=1.4毫米

因?yàn)槲覀冞@是按照最極限的輸入電壓也就是說按照最大的輸入電流時(shí)來計(jì)算的。所以電流密度取的裕量比較大。實(shí)際按照不同的成本要求，也可以把電流密度取大一些，比如此處取電流密度為8A/平方毫米的話，那么可以得到線徑為：

2×SQRT(7.67/(8×3.14))=1.1毫米

這也是可以接受的。

因?yàn)槭荂CM模式的工作方式，基波是低頻的半正弦波，在此處我們就不考慮趨膚效應(yīng)了。選用單根的漆包線就可以了。

常用的幾個(gè)公式：

LI=NΔBAe

L：電感量，I：電流，N：匝數(shù)，ΔB：磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量，Ae：磁芯截面積

L=N×N×Al

Al：電感系數(shù)

H=0.4×3.14×N×I/Le

H：磁場強(qiáng)度，Le：磁路長度

繼續(xù)。。。。。

計(jì)算磁芯大小的方法有幾種，最常用的就是AP法，但實(shí)際上，因?yàn)榇欧坌镜拇艑?dǎo)率隨磁場強(qiáng)度變化較大，計(jì)算經(jīng)常需要迭代重復(fù)。另外，因?yàn)榇怒h(huán)的規(guī)格相對比較少。我們就不用AP法計(jì)算了。而是直接拿磁芯參數(shù)過來計(jì)算，幾次就可以得到需要的磁芯了。經(jīng)驗(yàn)越豐富，計(jì)算就越快了。

適合用來做PFC電感的磁粉芯主要有三類：鐵鎳鉬(MPP)、鐵鎳50(高磁通)、鐵硅鋁(FeSiAl)。其中，鐵鎳鉬粉芯的飽和點(diǎn)大概在B=0.6附近。而后兩者都可以達(dá)到1以上。

此處，我們選用某國產(chǎn)的鐵硅鋁粉芯，下面是該粉芯的一些特性曲線圖：

從圖上可以看見，當(dāng)磁場強(qiáng)度上升的時(shí)候，磁導(dǎo)率在下降。那么電感量也就會下降。所以，我們希望電感量在承受直流偏磁時(shí)不要跌落的太多，那么設(shè)計(jì)所選擇的磁場強(qiáng)度就不能太高。我們選用初始磁導(dǎo)率μ0=60的鐵硅鋁粉芯，那么可以從圖中看到，當(dāng)磁場強(qiáng)度為100Oe時(shí)，磁導(dǎo)率還有原來的42%，而當(dāng)磁場強(qiáng)度為100Oe時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.5T，遠(yuǎn)未到飽和點(diǎn)。我們就把設(shè)計(jì)最大磁場強(qiáng)度定為100Oe。

那么根據(jù)

L=N×N×Al

H=0.4×3.14×N×I/Le

我們得到的限制條件是：0.4×3.14×SQRT(L/Al)×I/Le100

由于100Oe時(shí)，磁導(dǎo)率只有初始值的42%，所以我們要對上式中的Al乘上這個(gè)系數(shù)。那么帶入相關(guān)的參數(shù)L=709uH，I=11.94A，我們有：

0.4×3.14×SQRT(709E-6/(0.42×Al))×11.94/Le100，簡化后得到：

0.616/(Le×SQRT(Al))100

注意：上式中，Le的單位是：cm，Al的單位是：H/(N×N)

現(xiàn)在，我們可以把磁芯參數(shù)帶入計(jì)算了。

選擇一個(gè)：

A60-572A，Le=14.3cm，Al=140nH/(N×N)，Ae=2.889平方厘米，帶入后得到：115100

顯然磁芯不合適，再選擇一個(gè)更大的：

A60-640，Le=16.4cm，Al=144nH/(N×N)，Ae=3.53平方厘米，計(jì)算得到：99100，不等式滿足。磁芯選定。

然后，根據(jù)99=0.4×3.14×N×I/Le計(jì)算得到N=108圈

有時(shí)，選擇不到合適的單個(gè)磁芯，可以選擇兩個(gè)磁芯疊加起來使用。