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有源功率因数校对电路中铁氧体磁心电感器的计划

2017-09-17 21:10分类:机械维修 阅读:

 

当交流电源经全波整流和大电容滤波后,将平直的直流电压直接施加于各类改换器及其负载上时,尽管输入电压的波形是正弦波,但输入电流的波形却是窄脉冲,因而使线路的电流富含很多的谐波重量,并使改换器的功率因数大为下降。
很多运用这么的电源设备,将会发作很多不良的作用,很多的谐波电流对电网构成严峻的电磁烦扰谐和波污染,影响其它电器设备的正常作业,致使线路缺点,乃至使输配电设备损坏;低功率因数使发电和输配电设备(包含输电线)的创造本钱和作业本钱添加、功率下降。
有鉴于此,欧盟、我国、美国和日本先后拟定了电源设备功率因数的规范,功率因数政策正在变成一项全球性的强行规则,并且不再只限于大功率电源设备,更新的规范被运用到仅75W的电源设备和26W的照明设备等电子商品中。
为了使 开关电源的功率因数到达有关规范所规则的政策,通常要在全波整流器和滤波电容器之间参加一个有源功率因数校对电路(APFC)其原理图如图1所示。
由图1可知,功率因数校对电路正本即是一个由电感器(L)、开关管(Q)、整流管(D)、输出滤波电容器(C0)和操控器(IC)所构成的升压(Boost)改换器,与通常DC/DC升压改换器纷歧样的是,其输入电压不是平稳的直流电压,而是正弦脉动电压(Cin)很小。
功率因数校对电路的作用,是凭仗操控IC依据电压和电流的查看量,经仿照运算而发作的高频驱动脉冲,来操控开关管的导通与关断,然后操控流经电感器的电流,迫使交流电源输入电流的波形及相位均与输入电压的波形和相位趋于一起,使功率因数得到很大的改善(cosφ≈1.0)。当然,输入电流各次谐波的幅值和总谐波失真(THD)亦随之显着下降。
功率因数校对电路因所选用操控IC的类型纷歧样,并运用与其相习气的电感器,可使其作业在临界办法(CRM)或接连传导办法(CCM)。CRM PFC常用于100W以下的开关电源,CCM PFC则适用于200W以上的开关电源,至于功率在100W-200W之间的开关电源,计划人员则应依据商品的技能和经济政策,挑选适宜的电路拓扑。
2 CCM PFC电感器的计划
2.1改换器的占空比
CCM PFC的作业频率是固定的,为了削减电感器和滤波器的体积,选用较高的频率为宜,例如f≥100kHz。PFC输入电压的波形如图2所示,疏忽整流器压降时,正弦脉动波形的幅值即:电源电压(正弦波)的幅值V1m,而对应于某时刻t的PFC输入电压的瞬时值则为:
(V ) (1)
式中,,,为电源电压的频率。
在开关管导通时期(S )整流管截止,负载由电容器供电。在电感器储能的进程中,电感器的端压为设绕组的电感值为L(H ),则电流增量由零添加至:
(A ) (2)
在开关管截止时期(对于接连传导办法),整流管导通,电感器的储能开释电感电流向负载及电容器供电。在此刻期,电感器的端压为V0-,其电流增量由减小至零,的另一表达式如下:
(A ) (3)
因为改换器的作业频率比电源电压的频率高得多,故能够以为对应于某时刻t的电压在周期T内坚持不变,其值由式(1)断定。
瞬时电感端压VL与电感电流IL的波形图如图3所示。因为改换器在接连传导办法下作业,某时刻t的电感电流为电流增量与直流重量之和,而电感电流的均匀值则为:
(A ) (4)
由式(2)和(3),可得到如下的等式:

即:
由上式可求得改换器的占空比:
(5)
当输入电压为最大值,且时,最小占空比为:
(6)
为确保,应挑选。
2.2电感电流IL
频率固定,均匀电流法操控的CCM PFC中,电感电流IL的波形如图4中的实线所示。IL的波形带有锯齿形的纹波,其频率与开关频率一样;IL的均匀值则盯梢输入电压按正弦波规则改动,并与的相位一样,其波形如图4中的虚线所示。
设PFC的输出功率为P0(W),功率为η,因为PFC的功率因数cosφ≈1.0,故电感电流的有用值ILrms为:
(A) (7)
而电感电流则为:
(A) (8)
式中ILm为电感电流均匀值的幅值:
(A) (9)
2.3电感值L的挑选:
由式(2)和(5)能够求得,另一表达式:

(A) (10)
咱们界说IL的纹波系数K1为/2与之比,即:


(11)
显着,当=0时,KI为最大值:
(12)
而当=π/2时,KI则为最小值:
(13)
在依据对电感电流纹波系数的恳求,选定了KI的值往后,就能够求得相应的电感值L。
通常挑选=π/2时,KI=0.05~0.20,这时:
(H ) (14)
或挑选=0时,KI=1.0,这时:
(H ) (15)
当KI=1.0时,/2=,由式(4)可知,这时侯电感电流中没有直流重量,且Toff=T-Ton,改换作业在临界情况。只需挑选电感值L≥L0,则改换器在=0至=π的计划内,均在接连传导办法下作业。
对于输入电压计划较宽和输出负载改动计划较大的改换器,为使PFC在任何情况下均作业在在接连传导办法,有必要以V1m max和P0 min代入式(15)中核算。但用式(14)核算Lπ/2时为确保在任何情况下当=π/2时的KI不大于所选定的值,应以V1m max和P0 min代入。
计划者可依据需求在Lπ/2和L0之间挑选适宜的电感值。
2.4绕组圈数的挑选
首要咱们要参看磁材厂家(例如LCC、EPCOS、TDK)所供给的各类纷歧样巨细磁心在某一作业频率时所能传递的功率的数据,依据电感器传递的功率、作业的频率和其它技能恳求,来挑选磁心的形状和巨细。
设所选定的磁心的有用截面积为Ae(m2),则电感器绕组的圈数可由下式求得:
(16)
对于CCM PFC,因为电感电流中有较大的直流重量,为使磁路不至丰满,除了应适本地挑选磁密的改动量ΔB(T),还有必要以乘积DV1的最大值代入上式来核算绕组的圈数。

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