(1) 升压电感的设计
升压电感的值决定转换器开关频率的大小,它主要由最小开关频率和输出功率决定。
设开关管在一个周期里的导通时间为on t ,关断时间为off t ,则:
VAC I L V I L t Lpk
inpk Lpk on ⋅⋅=⋅⋅⋅=2)sin()
sin(θθ (2.32)
)sin(2)
sin(θθ⋅⋅-⋅⋅=VAC V I L t out Lpk off (2.33)
式中,θ为交流输入电压的瞬时相位。
由式(2.33)可知,在交流输入电压的一个周期内,开关管的导通时间与电压的瞬时相位无关。
由on t 和off t ,可得开关周期: [])sin(22)
sin(22)sin(2)sin(2122θθθθ⋅⋅-⋅⋅⋅⋅=⋅⋅-⋅⋅⋅⋅=⎥⎦
⎤⎢⎣⎡⋅⋅-+⋅⋅⋅=+=VAC V VAC P V L VAC V VAC V I L VAC V VAC I L t t T out in out out out Lpk out Lpk off on s (2.34) 故变换器的开关频率为: []
in
out out sw sw P V L VAC V VAC T f ⋅⋅⋅⋅⋅-⋅==2)sin(212θ (2.35) 所以,当1)sin(=θ时,开关频率最小;当0)sin(=θ时,开关频率最大。
故升压电感大小为: []
in
out sw out P V f VAC V VAC L ⋅⋅⋅⋅-⋅=min 222 (2.36) 由式(2.35)可知,最小开关频率出现在交流输入电压最大或最小时,分别计算它们对应的电感值:
uH H VAC L 35.336400
220300002)2652400(265)(2max =⨯⨯⨯⨯-⨯= (2.37) uH H VAC L 89.382400220300002)852400(85)(2min =⨯⨯⨯⨯-⨯= (2.38) 比较两个值,取uH L 310=。
当Vac V in 85=时,由式(2.36)可得kHz kHz f sw 207.33min >=,从而可以避免音频噪声。
根据近似的面积乘积(AP )法来估算升压电感磁芯尺寸的大小,其中面积
乘积经验公式为:
3
441max max )10(-⨯⋅⋅⋅⋅=⋅=w FL p w e k J B I I L A A AP 4cm (2.39) 式中,e A 为磁芯有效截面积;w A 为磁芯窗口截面积;FL I 为满载电流有效值;p I 为最大峰值电流;max B 为磁芯的饱和磁感应强度;m ax J 为最大电流密度;w K 1为线圈窗口利用率,即总的铜面积与窗口面积w A 之比。
高频开关电源变压器中的铁氧体应该具有以下特性:高饱和磁通密度,在工作频率范围内较低的磁芯损耗,较低的温度系数和较高的居里温度。
PQ 磁芯具有优化的体积与线圈面积和表面面积的比率,可以最小化的磁芯尺寸和线圈面积得到最大的电感。
综合考虑电路的工作频率和磁芯的性价比,选用PC40材质的PQ3230磁芯,磁芯有效截面积200.161mm A e =,线圈窗口面积260.149mm A w =。
由安培环路定律,得
00L H H HL NI +==δδ (2.40)
式中,δH 为气隙磁场强度;δ为气隙长度;0H 为磁芯磁场强度;0L 为磁芯磁路长度。
由于空气磁导率远小于磁芯磁导率,所以式(2.40)可近似为:
δμδδ⋅=⋅≈⋅=⋅0max
B H L H I N (2.41)
电感的计算公式为:
δ
μe A N L ⋅⋅=02 (2.42) 从式(2.42)中解出δ代入式(2.41)可得电感线圈的匝数:
m ax B A I L N e pk
⋅⋅= (2.43)
计算得69.49=N ,取50匝。
(2) 辅助绕组设计
在L6562为控制器的PFC 方案中,辅助绕组主要有两个作用:一是提供零电流检测信号,二是给L6562芯片供电。
L6562零电流检测电路的门限电压为
2.1V ,且当交流输入瞬时电压最高时,辅助绕组输出电压最低,故: 匝2.48.374400501.21.2(max)=-⨯=-⋅>V
V V V V N V N inpk O p
aux (2.44) 式中,p N 为升压电感的原边匝数,(m ax)inpk V 为最大交流输入电压(265V AC )的峰值电压。
从上式计算可得,匝2.4≥aux N ,实际取6=aux N 。
(3) 功率开关管的选择
功率开关管的选取主要考虑开关管自身的源漏极导通电阻)(on DS R ,因为)(on DS R 决定功率开关管导通损耗的大小。
对于工作在临界导通模式的L6562,开关损耗发生在功率开关管关断的时刻。
针对PFC 应用,开关管的耐压由输出电压和过压允许值决定,其承受的最大电压在其关断时刻出现,约为额定直流输出电压值。
确定开关管耐压规格时,应留出20%的电压裕量,所以本设计中开关管源漏极承受电压:
V V V out DSS 4804001.22.1=⨯=⋅≥
(2.40)
流过开关管的最大平均电流:
out in Lpk Qrms V V I I ⋅⋅-⋅=π92461(min)(max)
(2.41)
式中,(m in)in V 为交流输入电压的最小值。
由式(2.21)可知,A I Lpk 03.8=,并且V V in 85(min)=,V V out 400=;代入式(2.41)求得:A I Qrms 83.2=。
根据以上计算,选用IR 公司的IRF840,其导通电阻Ω=85.0)(on DS R ,源漏极耐压V V DS 500=,额定电流A I D 8=,符合要求。