9.1 (九) - PFC电感电气性能指标的定义及电路中的作用(1)

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