隨著項(xiàng)目功率的不斷提升，加上電網(wǎng)對(duì)質(zhì)量的要求越來(lái)越高，大功率ACDC電源前級(jí)不得不加上功率因數(shù)校正，其作用我這里不在贅述。本文要討論的就是BOOST_PFC電路中電感設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的因素和選取原則，對(duì)我們后續(xù)的產(chǎn)品調(diào)試起著至關(guān)重要的作用。文末有PFC電路設(shè)計(jì)福利別忘了領(lǐng)取喲！
一：電感不飽和（感量下降不超過(guò)合理范圍）
在此之前，我們先回顧一下磁的特性，看看磁滯回線，我們可以看到H 加大時(shí)， B 值也同時(shí)增加，但 H 加大到一定程度后， B 值的增加就變得越來(lái)越緩慢，直至 B 值不再變化 (u 值越來(lái)越小，直至為零 ) ，這時(shí)磁性材料便飽和了。通常電路中使用的電感都不希望電感飽和（特殊應(yīng)用除外，有些需要飽和電感），其工作曲線應(yīng)在飽和曲線以內(nèi)， Hdc 稱為直流磁場(chǎng)強(qiáng)度或直流工作點(diǎn)。
對(duì)于儲(chǔ)能濾波電感，由于需要承受一定的直流電流（低頻電流相對(duì)與高頻開(kāi)關(guān)電流也可視為直流），也就是存在直流工作點(diǎn) Hdc 不為零。磁芯需加氣隙才能承受較大的直流磁通，如下圖，所以該類(lèi)電感通常選用鐵粉芯做磁芯（有分散氣隙）。
由于磁芯加了分布?xì)庀叮滹柡瓦^(guò)程就不是一個(gè)突變而是一個(gè)漸變的過(guò)程，所以電感的不飽和問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為電感感值在直流量下的合理下降問(wèn)題。
對(duì)于 PFC 、 BOOST 、 BUCK 以及 DC-DC 電感，電感的取值通常由設(shè)計(jì)要求最大紋波電流（ Ripple Current ）來(lái)決定（通常設(shè)計(jì)指標(biāo)是最大紋波電流百分比Rripple-percent ）。
其中，對(duì)于 BUCK 和 DC-DC 電感，其直流工作點(diǎn)（ IAVG ）相對(duì)恒定，如圖
Rripple-percent=ΔImax/IavgΔImax是紋波電流峰峰值
Lmin=Vinductor*D/(Fsw*δImax）這是在最大直流工作點(diǎn)，所需最小感值。
電感初始感值與最大直流工作點(diǎn)下感值的關(guān)系Lmin=Linitial×udc％
其中udc％與Hdc(Hdc=NIAVG/l)直接相關(guān)，只要計(jì)算出Hdc，udc％可從磁芯廠商提供的圖表或計(jì)算公式得到。通常，無(wú)論如何設(shè)計(jì)，在最大直流工作點(diǎn)處，udc％都不應(yīng)低于初始磁導(dǎo)率的 30 ％，否則將導(dǎo)致感值擺動(dòng)太大而對(duì)控制器產(chǎn)生不利影響。
對(duì)于 PFC 、 BOOST 電感，其直流工作點(diǎn)是 50Hz/60Hz 的工頻信號(hào)，并不固定，如下圖。
此時(shí)，最大紋波電流百分比Rripple-percent定義為最大紋波電流與額定輸入電壓下的電感電流峰值之比。
Iripple_percent=δImax/Ipk_avg
注意， BOOST 拓?fù)涞淖畲蠹y波電流發(fā)生在輸入瞬時(shí)電壓為 BUS 電壓一半處，此時(shí)占空比為 0.5 。
Lmin=1/2*Vbus*D/(Fsw*δImax）
注意，此處的直流工作點(diǎn)是輸入瞬時(shí)電壓為 BUS 電壓一半時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入瞬時(shí)電流。
同時(shí)，在最?lèi)毫訔l件的最大直流工作點(diǎn)下（低壓滿載輸入電流的峰值），udc％也都不應(yīng)低于初始磁導(dǎo)率的 30 ％。
對(duì)于 INV 電感，電感的取值通?？纯刂破髂芊窨煽肯蘖鱽?lái)決定。
由于 INV 電感需承受 RCD 等非線性沖擊負(fù)載，所以 UPS 通常有波峰因數(shù)比大于 3 ： 1 的要求，考慮實(shí)際逆變限流會(huì)稍大于 3:1 ，通常取到 4 ： 1 ，所以， INV 電感的最大直流工作點(diǎn)可以設(shè)為 4:1 （ 4 倍于額定負(fù)載下的電感電流有效值）。
當(dāng)然，若波峰因數(shù)規(guī)格要求改變，需要做相應(yīng)調(diào)整。最大直流工作點(diǎn)下，udc％不應(yīng)低于初始磁導(dǎo)率的 30 ％，否則很可能造成限流不可靠而損壞 INV 開(kāi)關(guān)管。感值確定后，選擇恰當(dāng)?shù)拇判?，查?guī)格可得其 AL 值，用以下公式就可算出匝數(shù)。
二、考慮壽命（電感損耗導(dǎo)致的溫升在允許的范圍內(nèi)）
電感主要由磁芯、線圈組成，所以其溫度要求也由這兩方面的限制構(gòu)成。
磁芯（ Core ）：
儲(chǔ)能電感的磁芯有鐵粉芯、鐵硅鋁粉芯、鐵氧體等構(gòu)成，目前使用最多的是鐵粉芯。鐵粉芯存在高溫老化導(dǎo)致失效的問(wèn)題，其失效機(jī)理可解釋如下：鐵粉芯是由鐵磁性粉粒與絕緣介質(zhì)混合壓制而成，絕緣介質(zhì)通常是高分子聚合物－樹(shù)脂類(lèi)構(gòu)成，其在高溫下絕緣性能會(huì)慢慢劣化，鐵磁材料間的電阻會(huì)越來(lái)越小，從而磁芯的渦流損耗越來(lái)越大，大的損耗導(dǎo)致更高的溫升，這樣便形成了正反饋，這稱為熱跑脫效應(yīng)（ Thermal Run away ）。鐵粉芯磁芯的壽命便是由熱跑脫效應(yīng)決定的，其與溫度、工作頻率和磁通密度都有關(guān)系。目前公司使用較多的 MicroMetals 公司的鐵粉芯存在上述問(wèn)題。但也需提醒的是，如絕緣介質(zhì)無(wú)高溫劣化問(wèn)題，磁芯便不會(huì)有熱跑脫效應(yīng)，這與各公司的使用的材料和工藝有關(guān)，并不絕對(duì)。
磁芯的溫升與磁芯損耗直接相關(guān)，如前所述，磁芯損耗主要由磁滯損耗和渦流損耗構(gòu)成，對(duì)于粉芯類(lèi)磁芯，由于磁材料間絕緣阻抗很大，渦流損耗幾乎可以忽略不計(jì)（但熱跑脫效應(yīng)是由于渦流損耗越來(lái)越大引起）。磁滯損耗只與頻率和交流磁通密度ΔB(磁滯回線面積）有關(guān)，與其直流工作點(diǎn)磁通密度Bdc關(guān)系不大，以下公式是 MicroMetals 公司鐵粉芯磁芯損耗計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式：
其中f為開(kāi)關(guān)工作頻率， B （單位 Gauss ）為一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)交流磁通密度的峰值，其為個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)交流磁通密度峰峰值的一半（ΔB=2B）。a,b,c,d為常數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)，常用材質(zhì)常數(shù)見(jiàn)下表。
對(duì)于 BUCK 和 DC-DC 電感，穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，脈寬也基本穩(wěn)定，所以 B 值很容易確定。但對(duì)于 PFC 、 BOOST 和 INV 電感，其脈寬一直是變動(dòng)的， B 值也一直是變動(dòng)的，所以在一個(gè)工頻周期內(nèi)的瞬時(shí)損耗也是不定的，這時(shí)的損耗應(yīng)以一個(gè)工頻周期的平均值Pcore-loss-avg來(lái)衡量。
我們知道最大電流紋波發(fā)生在輸入（或輸出）是輸出（或輸入）電壓一半的時(shí)候得到，其實(shí)此時(shí)也是瞬時(shí)交流磁通密度達(dá)到最大的時(shí)候，稱之為Bpeak，所以此時(shí)的瞬時(shí)損耗也達(dá)到最大。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算與實(shí)踐檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)最?lèi)毫訔l件下Pcore-loss-peak 與Pcore-loss-avg 有如下關(guān)系：
BOOST 拓?fù)洌篜core-loss-avg＝ 0.7 × Pcore-loss-peak
INV 部分：Pcore-loss-avg＝ K × Pcore-loss-peak
其中 K 與電路拓?fù)湟约拜敵鲭妷赫{(diào)制比（Vo-pp/2Vbus）有關(guān)。下圖是半橋和全橋逆變拓?fù)涞碾妷赫{(diào)整率與 K 的關(guān)系。
公司目前 BUS 電壓介于 340V~400V 間，所以電壓調(diào)整率介于 0.7~0.9 間，由圖可看出 K 介于 0.35~0.6 范圍。
線圈（ Coil ）：
線圈的損耗是電流在導(dǎo)線電阻上產(chǎn)生的。電感中導(dǎo)線的電流通常包含工頻或直流成分的低頻電流和開(kāi)關(guān)頻率的高頻電流。
其電流有效值為 Irms=Irms-LF+Irms-HF
為簡(jiǎn)化計(jì)算，當(dāng)最大紋波電流小于 20 ％時(shí)，可基本忽略其影響，Irms=Irms-LF，當(dāng)最大紋波電流大于 20 ％時(shí)，需計(jì)算此電流的有效值Irms=Irms-LF+Irms-HF。同時(shí)，當(dāng)最大紋波電流大于 20 ％時(shí)，需考慮導(dǎo)線的趨膚效應(yīng)的影響，否則，可以忽略。
導(dǎo)線的損耗與電流密度 有直接的關(guān)系，通常電流密度都會(huì)在感值與繞線系數(shù)間折中。在自然冷卻條件下： J通常?。? ～ 3A/mm2）在風(fēng)冷條件下： J通常?。? ～ 9A/mm2）
磁損與銅損的比例：
磁芯的材料（除硅鋼片較好外）通常是熱的不良導(dǎo)體，熱阻較高，而銅線是熱的良導(dǎo)體，熱阻很小。再加上通常用的環(huán)形磁芯都是線圈包住鐵芯（內(nèi)鐵式）。因此線圈上的熱量可以較磁芯上的熱量更好地散發(fā)出去。為保證鐵芯溫度可以受控制.
最低要求：Pcore/Pcoil≤40%
較佳的設(shè)計(jì)：Pcore/Pcoil≈30%
三、工藝要求
電感理論設(shè)計(jì)完成后，就需要考慮工程實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題了。
需考慮的工藝問(wèn)題有：
1 、電感線圈是否可繞得下
這個(gè)問(wèn)題也是就電感銅窗利用率（有效繞線系數(shù)）的問(wèn)題。Kcu=Acu/Aw其中Acu是有效導(dǎo)體面積，Aw是磁芯的銅窗面積對(duì)于大多數(shù)磁芯，繞線系數(shù)要求最低要求 Kcu≤45％較佳的設(shè)計(jì)Kcu≈40％ 這樣的磁芯利用率最高
2 、線圈的繞法
電感線圈的繞法主要有循環(huán)式、往復(fù)式、漸進(jìn)式三種。
循環(huán)式繞法是導(dǎo)線一直沿同一個(gè)方向繞制，多層導(dǎo)線之間相互疊壓。
優(yōu)點(diǎn)：可機(jī)器自動(dòng)繞制，繞線系數(shù)高。
缺點(diǎn)：繞線起始端與結(jié)束端幾乎沒(méi)有間距，層間壓差大，高壓應(yīng)用時(shí)易導(dǎo)致因壓差過(guò)高而導(dǎo)線絕緣失效。
往復(fù)式繞法是導(dǎo)線繞完一層后反方向再繞下一層后，多層導(dǎo)線之間相互疊壓。起始端與結(jié)束端有間距分開(kāi)。
優(yōu)點(diǎn)：可機(jī)器自動(dòng)繞制；起始端與結(jié)束端有間距分開(kāi)，可部分解決壓差大導(dǎo)致的導(dǎo)線絕緣失效問(wèn)題。
缺點(diǎn)：繞線起始端與結(jié)束端有間距分開(kāi)，繞線系數(shù)不高。
漸進(jìn)式繞法是導(dǎo)線由起始端沿一個(gè)方向繞到結(jié)束端，導(dǎo)線不分層。
優(yōu)點(diǎn)：導(dǎo)線間壓差小，繞線起始端與結(jié)束端有間距分開(kāi)，適合高壓應(yīng)用。
缺點(diǎn)：需手工繞制，效率低，成本高；繞線零亂，繞線系數(shù)低。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需根據(jù)電感工作的電壓來(lái)決定選用何種繞法，但由于漸進(jìn)式繞法的效率低、成本高，非不得已不要選用。
3 、誤差的確定
由于磁芯材料的磁參數(shù)均有較大的分布誤差，批次不同或廠商不同則差異可能更大，通常為± 15 ％～ 25 ％，所以設(shè)計(jì)時(shí)需考慮在參數(shù)偏差時(shí)所造成的影響。
以上是我對(duì)BOOST_PFC電感設(shè)計(jì)時(shí)候需要注意的地方，如果對(duì)你有幫助或者有哪些技術(shù)問(wèn)題，可以在評(píng)論區(qū)留言，我們可以一起討論。