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?jiǎn)單,，但輸入電流不連續(xù),，峰值較高，所以常用在小功率場(chǎng)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(chǎng)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(hào),，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(chǎng)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L(zhǎng)min=(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(chǎng)上也出現(xiàn)了EE型的,。另外，μ值隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加會(huì)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(duì)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(duì)EMC產(chǎn)生不利影響,。另外，開氣隙的鐵芯,，在氣隙處,，銅損會(huì)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L(zhǎng)min=(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(chǎng)強(qiáng)度,，Le：磁路長(zhǎng)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(chǎng)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(duì)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(guó)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(chǎng)強(qiáng)度上升的時(shí)候，磁導(dǎo)率在下降,。那么電感量也就會(huì)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(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度為100Oe時(shí),，磁導(dǎo)率還有原來的42%，而當(dāng)磁場(chǎng)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(chǎng)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/Le<100
由于100Oe時(shí),，磁導(dǎo)率只有初始值的42%，所以我們要對(duì)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/Le<100,，簡(jiǎn)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：115<100
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：99<100,，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,。