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功率因数增压前置调制器功率损耗计算


下文Micrometals公司的布鲁斯卡斯顿(Bruce  Carsten)执笔的技术应用文集和本公司编写的《PFC设计指南》的一个段落。技术应用的原文可随时向有兴趣者提供。

用增压前置调节器作为“前端”,通过交流电流(AC)的线性输入,以求得单位功率因数(UPF)。但电流量在交流电路中是不断变化的,即使在输入和输出条件“固定”时也是如此,这使计算磁芯在主电感器的损耗明显复杂了。

基本的交流-直流增压前置调节器电源电路如图1所示。这个电路的工作原理是为大家所熟悉的;主开关Q1的工作周期由逻辑电路控制(未示出),用以提升整流后的输入线路电压“Vi”到输出电压“Vo”,同时使短期平均输入电流(L1  电流)与瞬时交流线路电压成正比。因为交流主电压是正弦波形(理想情况下),线路电流也是正弦波形。

AC Applications, Figure 1

                                      图1

                       功率因数增压前置调节器基本电路图

现在实际使用的控制技术和电路与UPF增压前置调节器损耗的计算几乎是不相关的,这个磁芯损耗的计算方法,一般应用于开关频率为常数的线路上。在此,通过大部份的交流电线性周期,  使增压电感器的电流高于“临界”(Critical)或连续的。 

在计算主电感线圈(L1)(相对)交流磁芯和高频绕组电流损耗的过程中,假设输入电压为正弦波,输出电高频交流峰值磁通密度可从开关电压的波形计算得出。用CGS单位制峰值磁通密度“B”的常用计算公式为:

:
Peak flux

最大通量“Bmax”发生在:

Vi =Vo/2

Where:
Vi = "Instantaneous" Input Voltage
Vo = DC Output Voltage

实际开关频率交流通量是随著半个周期的交流电线性电压改变,图2给出了在不同的Vi/Vo(其中Vi=输入交流电压峰值)BBmax与交流线相角θ的关系曲线。

AC Applications, Figure 2

                                                                图2

Ll铁芯中相对磁通密度峰值与交流输入电压及相位的关系在频率为常数时,磁芯损耗“Pfe”将另外表示为(Bn),这里指数“n”一般在1.653之间。当磁芯损耗指数为2.02.53.0时,平均磁芯损耗(一个周期内)与“最大”损耗(Vi=Vo/2)之比的结果,  由图3显示。

AC Application, Figure 3

                                                         图 3

平均铁芯损耗与最大铁芯损耗比)Vi/Vo及损耗指数“n”的关系曲线图

从图3可见,  当输入峰值/直流输出电压在0.61附近时,平均/最大磁芯损耗比达到最大值。磁芯损耗比并不敏感于损耗指数的变化。磁芯损耗比在损耗指数较高时相对少一些,但最大比(平均/最大)只是在n=3时的0.672 n=2时的0.725之间。

因为大多数UPF增压前置调节器都会在最大损耗比的情况下工作,所以给出一个有用的概测法:“最坏情况”的平均磁芯损耗将是Vi=Vo/2时所计算出的损耗值的70%,这里峰值通量为

Core Loss average, Formula

铁粉磁芯 PFC设计指南 
基于交流容量(AC Content)和复杂的磁芯损耗计算,当设计和规定铁粉磁芯用于PFC时必须格外小心。铁粉磁芯在日常应用的环境温度,最高可达至55,所以由损耗引致温升的增加必须保持在最低值。

在进行PFC设计时,必须考虑到最坏的情况,  即功能最大,而且大多数设计形的输入电压峰值不是在最低水平,就是达到了增高电压或输出电压的0.61倍。在最低输入电压下绕线损耗最大,因为这时电流最大。而当输入电压峰值达到输出电压峰值的0.61倍时,磁芯损耗为最大。

必须意识到,在未完成全面的设计分析前,磁芯损耗为最主要损耗的 PFC设计是不可接受的。一般来说,本公司建议,磁芯损耗与铜耗之间的损耗分配必须小於50/50%例如:20/80%25/75%是较好的磁芯损耗与铜耗之间的损耗分配。必须紧记,铜绕线比磁芯较容易散热。

PFC的应用显示:高交流磁通密度峰值的情况,比传统输出抗流的应用,较常见于磁芯。如果选用任何不适当的磁芯材料或小于指定尺寸的磁芯,磁芯会因为进行过高频率的磁芯损耗而产生温升,从而更可能导致热故障。

 为了能冷却和“静的”电源供应,现今多利用变速风扇的设计。即使在减轻电源负荷的情况下,有效交流磁通密度和由PFC电感器产生的磁芯损耗大致不变,只有铜耗(I²R)减小。  由于变速风扇的减速,  使气流减弱,产生了比预期高的温度。

判断磁芯温度的“过热点”的最佳方法是在磁芯上打一个小的盲孔。并插入温差电偶丝。要求电偶丝与磁芯紧密接触才能得到精确结果,必须严密注意通风死角的温度情况,因为这些死角处的温度比冷风通道处的温度要高。建议单元组件的最恶劣条件下运行48小时,或运行到电感器达到热平衡为止。这样才能获得真正的磁芯的最高温度。要注意铁粉磁芯材料有不同的导热系数,会形成温度分级的情况。

关于导热系数请参考 Thermal Conductivity 

选择磁导率较低的磁芯材料,会使动作磁通密度峰值和磁芯的相关损耗减小。这种磁芯损耗的减小,比抵消线圈损耗的增加更为重要。 Micrometals Design Software设计软件亦可为你的需要提供快捷的解决方法。


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