PFC电源设计与电感设计计算(九) - PFC电感电气性能指标的定义及电路中的作用(1) 9A

各位电源工程师

大家好

我们现在开始进入本系列讲座的第九讲

有关 PFC 电感电气性能指标的定义

以及它在电路里面的作用

那么这一讲内容是我们 PFC 电路设计里面

非常重要的一个环节

因为 PFC 电路里面我们有一个非常重要的

元件的要素

就是 PFC 电感

那么它涉及到很多方面

比如说它影响了我们的成本

影响了我们的 EMI

影响了我们的整体的这个体积大小发热等等

所以说对 PFC 的电感我们到底用什么样的电感

在哪些指标上把它定义好

把它明确化

把它能够具体的量化

或者是我们计算清楚

或者是让一些性能测试出来

那么来改善

我们电路上的对 EMC、对效率、对温升、对成本

各个方方面面的需求显得非常的重要

那么讲到这个电气性能指标

我给它归纳一下

它有这三方面的这个作用

一方面首先是我们控制纹波

也就是说我们 PFC 电路是一个升压的电路

升压电路我们纹波控制的目的是什么

两方面

一方面是让我们电路里面的这个开关管

电流不会变的特别的高

因为如果是你纹波特别大的时候

那么峰值电流就会特别高

会引起开关损耗继续加大

或者是说我们管子的电流应力就很大

所以这是一个我们不所希望的地方

所以说要有一个折中

第二个就是说我们要控制纹波的目的

就是说要控制我们的从电源输入回路里面

减少这个高频的电流的分量

如果说它比较大的话

滤波不干净

会造成我们的差模的这个高频的传导干扰的问题等等

这是一个我们非常重要的目的

第二个实际上就是讲的 EMC 的问题

EMC 的问题

刚才讲的纹波会影响一部分 EMC

但是更重要的其实还不是这个

我们纹波大了之后

我们可以通过滤波的办法来解决

加电容器

加这个差模的这个电感就很容易解决

只是花钱的问题

其实还有一个非常重要的因素

就是说我们这个电感的特性

高频特性不一样

会导致我们这个电感会产生一个

自身会产生一个 EMI 的一个干扰源

所以这个是非常的重要

为什么单单我们讲到 PFC 电感这部分

我们特别的在意

原因很简单

就是我们 Boost 的升压电感

实际上我们电压会升起来，升得很高

比我们输入电压还要高

有很高的电压的应力

它如果说这个线圈里面有寄生电容

有很高的电压应力，很高的电压变化

我们知道电容的能量是什么

是 1/2U^2*CF

这个是它的这个储存的功率

那么这个能量因为 U 的是平方

所以电压很高的时候它平方关系

所以它影响这个谐振的能力

就是高频的振荡能力

就是这个能量就非常大

所以说我们要很好地控制这一点

来解决这个 EMC 的这个高频的干扰

当然一般都是在上兆的频率

所以这是一块我们非常非常在意和强调的一部分

第三部分就是它的损耗设计

也就是说损耗实际其实

一方面是控制它的温升

不让它损耗太大，温升太高

另外一方面就是如果损耗控制的好

我们可以把体积做很小

可以把成本控制的很优化

实际上这个是从这两个角度来考虑问题的

基于这样的原因

那么我们仔细地讲

分这几个方面仔细讲

第一个就是我们电感的电流特性

那么我们前面讲

是它主要这个电感量是拿来控制纹波用的

所以说电感量的定义我们就会一般来讲

我们会从三个角度来定义

一个是 0 安培就是小电流的时候

那个电感量到底是多少

第二个是额定电流

前面我讲到铁氧体的电感它会饱和

所以说我额定功率的时候

这个电流是决定了我们什么正常工作

就是额定的大电流的时候的纹波值大小

这个就是 Irating 这一块

实际上决定这个纹波

还有一个饱和

有个饱和的时候电流是多少

也就是说到了这个电流的时候

电感量继续下降

那么这一点我们是非常关注

这个饱合的拐弯点是多少

那讲到这一点

其实我不得不去讲有两种情况

一种情况我们选择了高导磁的材料

那么这是一种情况

还有一种情况是选择了低导磁的材料

高导磁材料都有些什么

比如说我们磁性材料里面高导磁的

那什么叫高导磁

我们一般会把导磁率超过 500

或者是一千以上的

我们都认为它导磁率比较高

比较容易导磁

所以说这个我们就把它定义成高导磁

那具体的内容我们讲有多少材料

比如说我们低频的是硅钢片

然后非晶，非晶带材是吧

然后还有什么

还有就是坡莫合金，带材

还有我们的铁氧体

铁氧体导磁率也是上千的

就是几千的

当然非晶里面有纳米非晶都是一个类型

这些材料我们来做电感的时候

你就必须要开气隙

就是要保留这个磁路里面有气隙

那有了气隙才不至于继续饱和

气隙是什么意思

就是说我们要加一些导磁率为一的磁路

导磁率空气导磁率和真空导磁率是一

绝缘材料导磁率也是一

不导磁的东西都是一

在一的时候实际上就是在这个磁路里面

加了很多的阻抗就是这个磁阻

让这个加上电流之后

按匝数实际上是这个激励源

匝数乘上你的电流

这是一个激励源

加到磁路里面去磁阻比较大

就不会产生很大的磁通量

磁通量如果大到一定程度

超过了我们的磁芯的饱和的这个密度

磁饱和密度的限制

它就饱和掉了

这个电感量就掉下去了

所以说这种材料

高导磁材料往往它会表现一个特点

就是说在它没饱和的时候电感量一直不变

因为这个时候它的磁通量

磁通密度是低于 BS 的

当它接近 BS 的时候

它因为它磁阻大的都是在气隙上

其他部分都是高导磁的

所以说它要饱和一块都饱和掉了

随着那么就会反映出我有一个饱和电流的问题

就是超过这个电流很快电感量就掉下去了

所以说我们在电源设计的时候往往会留出余量

防止出现这种情况

这个高导磁的材料我们必须要考虑这个问题

对低导磁材料我们常用的是什么

比如说我们粉芯材料

比如说铁硅铝，铁硅

这些材料包括 Hi-flux 就是铁镍

还有铁镍末等等

这些粉芯的材料

实际上它那个是一个一个小的导磁的颗粒

把它压制在一起

这些颗粒它之间互相绝缘

它有绝缘材料

所以它形成了一种均匀分布的气隙

所以说这个时候它导磁率就等于

里头掺杂很多那个不导磁的东西

它被均匀化或者平均化

导磁率都比较低

所以说我们这个铁硅也好

铁镍也好，铁镍末也好等等

铁硅铝也好

导磁率我们一般常见的有 20μ 的

有 40μ 的 60μ 的 75μ 的

或者 90μ 高的时候可能一百多 μ

这个比较多

300μ 以上极少

所以这种材料都是用粉末做成的这种磁芯

那粉末这个压制的磁芯它互相之间有绝缘

所以它这个气隙也比较均匀

由于它的粉末的颗粒的形状又不是说像那个块状的

它是一颗一颗的

所以说这样的饱和它会形成一个局部的饱和

所以说从很小电流开始它就开始饱和

一直饱和到很大的电流

所以说你很难找到饱和电流在哪里

找不到的

它实际上电感量是一条往下斜的一个曲线

在这种情况下

我们评价这个饱和电流的时候

我们就不评价了

我们关心的是它零安培的这个电感量

和额定的时候的电感量

因为额定电感量决定了我们的纹波

这个饱和电感量对应的是什么

就是我们有些特殊要求

比如说光伏逆变器可能有一些耐冲击电流的问题

电流突然之间冲击大了不能电感量太小

比如说 UPS 如果说时常会有冲击电流的问题

比如说一般要保持三倍的时候的电流的时候

还要有一定的电感量

这个是因为我们具体应用的是特殊需要

所以要把这个按常规的额定电流以外

还要增加一个大电流的时候电感量的限制

所以说我们就会关注到这三个电感量的值

讲到这儿还有一个大家必须要注意的是

其实我们做光伏逆变器里面有个 boost 电感

做 PFC 里面有 PFC 电感

我们很多时候是希望电源

是希望要讲究一个综合效率的

综合效率的概念是什么

是在小电流的时候效率也要高

然后比如说是 5% 的负载

10% 的负载，25% 的负载等等

并不是说一定是 50% 或者 75%、100% 负载大

那个时候效率高就行

所以说它做一个加权

这个时候我们就会发现

在小电流的时候电感量提高了

对这个综合效率的提高就会非常有明显的优势

所以说遇到这样的情况下

一定要注意

就是说我们粉芯类的材料做了电感的时候

那效果就非常棒

就非常容易做出高效率的

这个综合效率非常高的这种 PFC 或者是 Boost

如果是用铁氧体去做

你就会发现电感量一直不变

所以小电流的时候纹波很大

小电流时候纹波很大

那电路里面的高频分量也大

然后高频分量大了之后

流过导线的高频损耗就大

流过磁芯的 ΔB 的造成损耗也挺大

还有一点就是说你这个纹波大了之后

开关管的关闭的时候的峰值电流也大

所以在这个时候整体的效率

就是在这个小电流的时候

小功率的效率不一定会非常高

所以这是我们要关注的

所以说这个零安培的电感量对这个非常有意义

还有一点

还有一点对我们 PFC 电路里面它也是非常重要

为什么非常重要

就是说我们 PFC 讲究的是什么

讲究控制高次谐波分量

也就是意味着

我们的电流波形要尽可能逼近于正弦波

小电流的时候

如果说我们电感量不够

就像这个铁氧体这种电感

这时候小电流的纹波

必然是跟大电流的纹波是一样大

但是我的平均电流已经降下去了

所以说往往你会发现很大的一段的时间之内

我们是处于不连续的模式

电流功率大，电压抬高到一定程度

电流上来了

它进入连续了

所以说从不连续到连续这个过渡过程

实际上把它滤波了之后

你就会发现它的有效值

它的这个平均之后的电流有效值是不一样的

它的平均值是不一样的

所以说你就会出现一个

一个非常不规则三角形一样的这个正弦波

三角形这样的波形就会产生很多的高次谐波的分量

如果说这个电感，小电流的时候电感量很大

大电流的时候慢慢小下来

这个时候相反就是大部分的工作

都工作在连续模式

哪怕是那个很小的电流

那这个时候你的波形滤波之后就非常漂亮

非常圆滑

非常容易就是控制好高次谐波分量

所以这个也是我们

对于这种铁硅铝、铁硅这样的材料

用来做 PFC 电感有非常棒的一点

当然了也说好的也有不好的

那不好的是什么

不好的就是说我的电感量一直在变

如果说你控制做的不好

小功率大功率的时候电感量不一样

纹波不一样

可能会产生一些振荡

特别是好多控制现在是数字式的控制

我们把电感量当一个常数来用了

其实它是个变数

如果你考虑到这一点

如果在你的控制模型里面

把电感变成一个变数放进去做的话

实际上你是照样可以做得很好的

所以这个是大家要注意

刚才讲的是我们这个电感和电流的关系

这个曲线的特性

各位电源工程师

大家好

我们现在开始进入本系列讲座的第九讲

有关 PFC 电感电气性能指标的定义

以及它在电路里面的作用

那么这一讲内容是我们 PFC 电路设计里面

非常重要的一个环节

因为 PFC 电路里面我们有一个非常重要的

元件的要素

就是 PFC 电感

那么它涉及到很多方面

比如说它影响了我们的成本

影响了我们的 EMI

影响了我们的整体的这个体积大小发热等等

所以说对 PFC 的电感我们到底用什么样的电感

在哪些指标上把它定义好

把它明确化

把它能够具体的量化

或者是我们计算清楚

或者是让一些性能测试出来

那么来改善

我们电路上的对 EMC、对效率、对温升、对成本

各个方方面面的需求显得非常的重要

那么讲到这个电气性能指标

我给它归纳一下

它有这三方面的这个作用

一方面首先是我们控制纹波

也就是说我们 PFC 电路是一个升压的电路

升压电路我们纹波控制的目的是什么

两方面

一方面是让我们电路里面的这个开关管

电流不会变的特别的高

因为如果是你纹波特别大的时候

那么峰值电流就会特别高

会引起开关损耗继续加大

或者是说我们管子的电流应力就很大

所以这是一个我们不所希望的地方

所以说要有一个折中

第二个就是说我们要控制纹波的目的

就是说要控制我们的从电源输入回路里面

减少这个高频的电流的分量

如果说它比较大的话

滤波不干净

会造成我们的差模的这个高频的传导干扰的问题等等

这是一个我们非常重要的目的

第二个实际上就是讲的 EMC 的问题

EMC 的问题

刚才讲的纹波会影响一部分 EMC

但是更重要的其实还不是这个

我们纹波大了之后

我们可以通过滤波的办法来解决

加电容器

加这个差模的这个电感就很容易解决

只是花钱的问题

其实还有一个非常重要的因素

就是说我们这个电感的特性

高频特性不一样

会导致我们这个电感会产生一个

自身会产生一个 EMI 的一个干扰源

所以这个是非常的重要

为什么单单我们讲到 PFC 电感这部分

我们特别的在意

原因很简单

就是我们 Boost 的升压电感

实际上我们电压会升起来，升得很高

比我们输入电压还要高

有很高的电压的应力

它如果说这个线圈里面有寄生电容

有很高的电压应力，很高的电压变化

我们知道电容的能量是什么

是 1/2U^2*CF

这个是它的这个储存的功率

那么这个能量因为 U 的是平方

所以电压很高的时候它平方关系

所以它影响这个谐振的能力

就是高频的振荡能力

就是这个能量就非常大

所以说我们要很好地控制这一点

来解决这个 EMC 的这个高频的干扰

当然一般都是在上兆的频率

所以这是一块我们非常非常在意和强调的一部分

第三部分就是它的损耗设计

也就是说损耗实际其实

一方面是控制它的温升

不让它损耗太大，温升太高

另外一方面就是如果损耗控制的好

我们可以把体积做很小

可以把成本控制的很优化

实际上这个是从这两个角度来考虑问题的

基于这样的原因

那么我们仔细地讲

分这几个方面仔细讲

第一个就是我们电感的电流特性

那么我们前面讲

是它主要这个电感量是拿来控制纹波用的

所以说电感量的定义我们就会一般来讲

我们会从三个角度来定义

一个是 0 安培就是小电流的时候

那个电感量到底是多少

第二个是额定电流

前面我讲到铁氧体的电感它会饱和

所以说我额定功率的时候

这个电流是决定了我们什么正常工作

就是额定的大电流的时候的纹波值大小

这个就是 Irating 这一块

实际上决定这个纹波

还有一个饱和

有个饱和的时候电流是多少

也就是说到了这个电流的时候

电感量继续下降

那么这一点我们是非常关注

这个饱合的拐弯点是多少

那讲到这一点

其实我不得不去讲有两种情况

一种情况我们选择了高导磁的材料

那么这是一种情况

还有一种情况是选择了低导磁的材料

高导磁材料都有些什么

比如说我们磁性材料里面高导磁的

那什么叫高导磁

我们一般会把导磁率超过 500

或者是一千以上的

我们都认为它导磁率比较高

比较容易导磁

所以说这个我们就把它定义成高导磁

那具体的内容我们讲有多少材料

比如说我们低频的是硅钢片

然后非晶，非晶带材是吧

然后还有什么

还有就是坡莫合金，带材

还有我们的铁氧体

铁氧体导磁率也是上千的

就是几千的

当然非晶里面有纳米非晶都是一个类型

这些材料我们来做电感的时候

你就必须要开气隙

就是要保留这个磁路里面有气隙

那有了气隙才不至于继续饱和

气隙是什么意思

就是说我们要加一些导磁率为一的磁路

导磁率空气导磁率和真空导磁率是一

绝缘材料导磁率也是一

不导磁的东西都是一

在一的时候实际上就是在这个磁路里面

加了很多的阻抗就是这个磁阻

让这个加上电流之后

按匝数实际上是这个激励源

匝数乘上你的电流

这是一个激励源

加到磁路里面去磁阻比较大

就不会产生很大的磁通量

磁通量如果大到一定程度

超过了我们的磁芯的饱和的这个密度

磁饱和密度的限制

它就饱和掉了

这个电感量就掉下去了

所以说这种材料

高导磁材料往往它会表现一个特点

就是说在它没饱和的时候电感量一直不变

因为这个时候它的磁通量

磁通密度是低于 BS 的

当它接近 BS 的时候

它因为它磁阻大的都是在气隙上

其他部分都是高导磁的

所以说它要饱和一块都饱和掉了

随着那么就会反映出我有一个饱和电流的问题

就是超过这个电流很快电感量就掉下去了

所以说我们在电源设计的时候往往会留出余量

防止出现这种情况

这个高导磁的材料我们必须要考虑这个问题

对低导磁材料我们常用的是什么

比如说我们粉芯材料

比如说铁硅铝，铁硅

这些材料包括 Hi-flux 就是铁镍

还有铁镍末等等

这些粉芯的材料

实际上它那个是一个一个小的导磁的颗粒

把它压制在一起

这些颗粒它之间互相绝缘

它有绝缘材料

所以它形成了一种均匀分布的气隙

所以说这个时候它导磁率就等于

里头掺杂很多那个不导磁的东西

它被均匀化或者平均化

导磁率都比较低

所以说我们这个铁硅也好

铁镍也好，铁镍末也好等等

铁硅铝也好

导磁率我们一般常见的有 20μ 的

有 40μ 的 60μ 的 75μ 的

或者 90μ 高的时候可能一百多 μ

这个比较多

300μ 以上极少

所以这种材料都是用粉末做成的这种磁芯

那粉末这个压制的磁芯它互相之间有绝缘

所以它这个气隙也比较均匀

由于它的粉末的颗粒的形状又不是说像那个块状的

它是一颗一颗的

所以说这样的饱和它会形成一个局部的饱和

所以说从很小电流开始它就开始饱和

一直饱和到很大的电流

所以说你很难找到饱和电流在哪里

找不到的

它实际上电感量是一条往下斜的一个曲线

在这种情况下

我们评价这个饱和电流的时候

我们就不评价了

我们关心的是它零安培的这个电感量

和额定的时候的电感量

因为额定电感量决定了我们的纹波

这个饱和电感量对应的是什么

就是我们有些特殊要求

比如说光伏逆变器可能有一些耐冲击电流的问题

电流突然之间冲击大了不能电感量太小

比如说 UPS 如果说时常会有冲击电流的问题

比如说一般要保持三倍的时候的电流的时候

还要有一定的电感量

这个是因为我们具体应用的是特殊需要

所以要把这个按常规的额定电流以外

还要增加一个大电流的时候电感量的限制

所以说我们就会关注到这三个电感量的值

讲到这儿还有一个大家必须要注意的是

其实我们做光伏逆变器里面有个 boost 电感

做 PFC 里面有 PFC 电感

我们很多时候是希望电源

是希望要讲究一个综合效率的

综合效率的概念是什么

是在小电流的时候效率也要高

然后比如说是 5% 的负载

10% 的负载，25% 的负载等等

并不是说一定是 50% 或者 75%、100% 负载大

那个时候效率高就行

所以说它做一个加权

这个时候我们就会发现

在小电流的时候电感量提高了

对这个综合效率的提高就会非常有明显的优势

所以说遇到这样的情况下

一定要注意

就是说我们粉芯类的材料做了电感的时候

那效果就非常棒

就非常容易做出高效率的

这个综合效率非常高的这种 PFC 或者是 Boost

如果是用铁氧体去做

你就会发现电感量一直不变

所以小电流的时候纹波很大

小电流时候纹波很大

那电路里面的高频分量也大

然后高频分量大了之后

流过导线的高频损耗就大

流过磁芯的 ΔB 的造成损耗也挺大

还有一点就是说你这个纹波大了之后

开关管的关闭的时候的峰值电流也大

所以在这个时候整体的效率

就是在这个小电流的时候

小功率的效率不一定会非常高

所以这是我们要关注的

所以说这个零安培的电感量对这个非常有意义

还有一点

还有一点对我们 PFC 电路里面它也是非常重要

为什么非常重要

就是说我们 PFC 讲究的是什么

讲究控制高次谐波分量

也就是意味着

我们的电流波形要尽可能逼近于正弦波

小电流的时候

如果说我们电感量不够

就像这个铁氧体这种电感

这时候小电流的纹波

必然是跟大电流的纹波是一样大

但是我的平均电流已经降下去了

所以说往往你会发现很大的一段的时间之内

我们是处于不连续的模式

电流功率大，电压抬高到一定程度

电流上来了

它进入连续了

所以说从不连续到连续这个过渡过程

实际上把它滤波了之后

你就会发现它的有效值

它的这个平均之后的电流有效值是不一样的

它的平均值是不一样的

所以说你就会出现一个

一个非常不规则三角形一样的这个正弦波

三角形这样的波形就会产生很多的高次谐波的分量

如果说这个电感，小电流的时候电感量很大

大电流的时候慢慢小下来

这个时候相反就是大部分的工作

都工作在连续模式

哪怕是那个很小的电流

那这个时候你的波形滤波之后就非常漂亮

非常圆滑

非常容易就是控制好高次谐波分量

所以这个也是我们

对于这种铁硅铝、铁硅这样的材料

用来做 PFC 电感有非常棒的一点

当然了也说好的也有不好的

那不好的是什么

不好的就是说我的电感量一直在变

如果说你控制做的不好

小功率大功率的时候电感量不一样

纹波不一样

可能会产生一些振荡

特别是好多控制现在是数字式的控制

我们把电感量当一个常数来用了

其实它是个变数

如果你考虑到这一点

如果在你的控制模型里面

把电感变成一个变数放进去做的话

实际上你是照样可以做得很好的

所以这个是大家要注意

刚才讲的是我们这个电感和电流的关系

这个曲线的特性