基于DC-DC转换器PFC电感的设计

北方工业大学信息工程学院微电子学系 朱青梅 牛晓良 刘凯田 易 然

1.引言

功率因数校正即PFC是十几年电源技术进步的重大领域，由于在设计DC-DC转换器中，会产生不同频率的谐波分量。而谐波对电路的设计有着重大的危害，包括：（1）对电网产生谐波污染；（2）造成谐波压降；（3）正弦波波形畸变；（4）产生电路故障，变电设备损坏。因此PFC电感的优化设计成为必要。它的基本原理是：（1）电源输入电流实现正弦波，正弦波就是使其谐波为零，电流失真因数THD=1；（2）保证电流相位与输入电压相位相同，相移因数为1；（3）最终实现PFC=1的设计工作目标。

电感根据其用途分为：片状电感、功率电感、色环电感、豆形电感、立式电感、轴向滤波电感、磁环电感、空气芯电感。电感使用的场合：潮湿与干燥、环境温度的高低、高频或低频环境、要让电感表现的是感性，还是阻抗特性等，都要注意。

2.电感的特性和设计

2.1 电感的频率特性

在低频时，电感一般呈现电感特性，既只起蓄能，滤高频的特性。但在高频时，它的阻抗特性表现的很明显。有耗能发热，感性效应降低等现象。不同的电感的高频特性都不一样。铁氧体材料的电感加以解说：铁氧体材料是铁镁合金或铁镍合金，这种材料具有很高的导磁率，他可以是电感的线圈绕组之间在高频高阻的情况下产生的电容最小。铁氧体材料通常在高频情况下应用，因为在低频时他们主要程电感特性，使得线上的损耗很小。在高频情况下，他们主要呈电抗特性比并且随频率改变。实际应用中，铁氧体材料是作为射频电路的高频衰减器使用的。实际上，铁氧体较好的等效于电阻以及电感的并联，低频下电阻被电感短路，高频下电感阻抗变得相当高，以至于电流全部通过电阻。铁氧体是一个消耗装置，高频能量在上面转化为热能，这是由他的电阻特性决定的。

2.2 电感的设计

PFC校正电路有：buck，boost，Cuk，Flyback，SEPIC。下面以Boost电路且PFC电感工作于临界导通模式（CRM）为例来详细的说明PFC电感的设计过程。Boost基本电路结构如图（1）所示，其中L电感就是所要设计的目标，M1为功率开关管，Co为输出储存电压，所以该电容值一般比较大，且为电解电容。RL为负载。D1为续流二极管，防止M1和开和关电流急剧变化损坏电路元器件，在电路中也起反向截止的作用。CRM控制法的工作流程：（1）功率开关零电流导通电感电流线性上升；（2）当峰值电流达到跟踪的参考电流（正弦波）时开关关断，电感电流线性下降到零；（3）开关再次开通

对于给定的输入电压和负载，开关频率也要随着输入交流电压瞬时值的变化而变化的。因此选择正弦交流输入的峰值点设计，开关频率最小，正弦值等于1。

已知条件：交流电的输入范围：185～266V，频率为5O/6OHz，输出功率：28W，功率因子达到O.9，转换效率至少O.9。要求PFC升压能够达到4OOV。

由此输入电流的有效值为那么流过PFC电感的峰值电流为：

由于电感是零电流导通，且导通时间Ton固定的CRM PFC电感，基本上工作在临界状态。在Ton期间，电感电流由零增至△IL(wt)：

图1 Boost基本电路架构

图2 软件仿真结果

图3 搭制的硬件电路板

图4 实验仿真结果

图5 整个电路的PF因子测试结果

而在Toff期间，电感电流由△IL(wt)减小至零，△IL(wt)的另一表达式如下：

由（6）和（7）式得到电感的占空比为：

对于CRM PFC，变换器的开关频率f是随时间而变化的，当 时，

fwt的最小值为：

由（12）式推出PFC升压电感的公式如下：

要求 ,其中，VO=4OOV,

PO=28W.η=O.9,由于Vin输入范围为185～266V，求得L=4.96（mH）。这个是电感的最大值。

2.3 磁芯尺寸和绕组圈数的选取

磁芯尺寸的选取，可按下列经验公式计算出磁芯的最小有效体积Vcmin，再从从磁芯厂家的产品目录中找到合适的磁芯，其Ve≥Vemin

代入值得到：Vemin=562（mm3）,但是注意电感流过的电流为O.5A，选取线径为O.2mm的就够了。

设所选定磁芯的有效截面积Ae(m2),则可由下式求得电感器绕组的圈数为：

2.4 磁芯气隙尺寸的计算

电感器磁芯的尺寸和绕组的圈数确定以后，为使绕组的电感值等于所选定的电感值L，通常都要在磁芯中柱磨削加工一个长度l0(m)的气隙（或在磁芯的边柱间加垫厚度为l0/2的绝缘片）。

可用下面的提供的公式，近似地计算出气隙的长度l0，再根据样品的测试结果稍作调整，而最后确定l0的值。

式中：μO=1.257*1O-6（H/m），为真空的磁导率（磁常数）；Kl=1.2～1.6，为修正系数。考虑气隙处磁密分布的边缘效应而引入的修正系数Kl，与气隙的大小有关，l0较大时，应选用较大的Kl值。Ae=19(mm2)。得到：l0=1.4723（mm）

3.实验结果

从图2的仿真结果来看，输出端的电压能够稳定在45OV左右，该图使用的仿真软件为ORCAD。

图4的绿色曲线代表的是输出端电压，从结果来看输出端电压稳定在4OOV左右

从图5的测试结果来看，PFC校正系数达到设计要求，为O.951。

4.PFC电感设计方法总结

（1）弄清所选择的控制方法：一般讲连续模式有：峰值电流控制、平均电流控制和滞环控制等方法。此外还有电感电流临界模式和断续模式，可以参考相关书籍

（2）弄清输入参数和输出参数对电感设计的影响，寻找最恶劣条件的情况下，如果电感参数满足设计要求，那么在任何工作范围内电感设计满足要求。

（3）计算电感时应密切关注电感上的电流变化，电感上的电压的变化及其变化的时间即伏秒面积。并遵循能量守恒下电感电流不能突变的原则分析。

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

[2]《软磁铁氧体磁心开关电源变压器的原理与设计》,何可人编著,大比特资讯培训中心教材(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.