实用新型开关电源技术原理及设计实例实训教材(连载218)

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实用新型开关电源技术原理及设计实例

实训教材（连载218）

良师 精编

二零二二年六月 于上海

第四篇 新能源技术知识篇

第四节  PFC功率因数校正原理介绍

4.3  输入功率为180W的有源功率因数校正电路设计

一个180W不连续模式升压式功率因数校正电路的设计过程。它的最大输出功率为200W。这里设计的功率因数校正级能够在世界上任何一个住宅的交流供电系统中工作，也就是说，能够在50或60Hz下的85～270Vac有效值电压范围内工作，而不需要使用切换开关。

设计指标要求

交流输入电压范围：       85～270V(有效值)

交流供电频率：         50～60Hz

输出电压：           DC 400V±10V

额定负载时的输入功率因数：   大于98％

总的谐波畸变率(THD)；     低于ENl000-3-2数值范围

设计方案选择

额定功率低于200W，对一个功率因数校正级来说，是有很多好处的。主要的好处是它能够在不连续模式下运行。在功率更高的功率因数校正设计中，必须使用连续模式，而这种模式由于二极管反向恢复问题的存在，会在电路中产生明显的损耗。

在频率固定的不连续模式功率因数校正控制器中，电路还是会有一段时间中工作于连续模式[Vin<50V(大约)]。一旦使用临界连续模式控制器，设计者能够保证不会出现连续模式。

首先需要考虑的是决定输入交流电压的峰值。

110V输入时：

          Vin(nom) =1.414×110V=155.5V

           Vin(hi)  =1.414×130V=183.8V

  240V输入时：

          Vin(nom)  =1.414×240V=339.4V

           Vin(hi)  =1.414×270V=381.8V

输出电压将高于期望输入的最高电压峰值。这里功率因数校正级输出电压选定为DC 400V。

电感电流的最大峰值出现在预期输入的最小交流电压峰值时，即



功率因数校正电感设计

在设计升压式电感时，必须指定参考点是预期最小交流输入电压的峰值。在这种运行条件(例如固定负载和输入电压)下，导通脉冲宽度在整个半正弦波形期间保持恒定。

为了求得最小输入交流电压时的导通脉冲宽度，需作如下的计算：



最大导通脉冲宽度为



         

升压式电感的上限近似值为



电感(变压器)绕组不仅要承受最大平均输入电流，还要承受输出电流。



更正：上式中的8.5V应为85V

符合这个平均电流的导线规格是#17AMG。这里使用三股#22AWG导线(加起来等同于导线的截面积)，这种线在绕线圈时更具柔韧性，而且有助于减少由于集肤效应引起的绕组交流阻抗。同样，由于在绕组中存在高电压，这里采用4层绝缘的方法，减小匝间击穿的危险。

磁心选择PQ类型。主要是考虑到在单级应用中，不同的磁心类型需要气隙长度是不同的。较大的气隙(>50mil)将导致额外的电磁辐射到周围环境中，使得RFI滤波的难度加大。为了减小气隙，对于给定的磁心尺寸，需要找到一个具有最大磁心截面积的铁氧体磁心。PQ磁心具有这种特性。参考由 Magnetics公司提供的形WaAc与功率的关系图，选择的PQ磁心型号是P-43220-XX(XX是以mil为单位的气隙长度)。

磁心中所需的气隙近似为



通常假设气隙为50mil。Magnetics公司可以提供这种气隙的磁心，而成本仅增加几个百分点。这个气隙条件下，磁心的自感因数(AL)估计在160mH／1000匝(可使用线性外推法，求其他气隙长度情况下的AL)。

电感的匝数是



检查磁心是否能绕下这么多匝(忽略辅助绕组面积)：