Boost(PFC)电感工况比较简单,仅需要峰值电流和感量两个参数即可进行设计
1、峰值电流计算如5楼所述,仅与输入电流和纹波系数有关,就是些几何图形关系,整理出来就是:
Ik = Iin+ΔI/2 = (1+Ku/2)PfcPout/Vin/η
其中:
纹波系数 Ku=2 即为临界模式,连续模式小于2,一般在0.4~1之间取值
Pfc系数取值 1 为普通Boost,取值 2 即为PFC电感(此时Vin为工频交流峰值)
按5楼参数核算(176Vac to 800V5KWPFC,Ku=0.5):
Ik = (1+0.5/2)*2*5000/247/0.98 = 51.6A
其中 Vin = 176*√2-VDB = 248.9V - 1.9V = 247V
2、电感量计算也很简单,基于电感充电公式:
L = TonVin/ΔI = (1-Vin/vout)Vin(1+Ku/2)/Ku/F/Ik
其中:
Ton为充电时间,Ton = Du/F
ΔI为充电幅度,也就是纹波电流幅度,可由峰值 Ik 反算获得,ΔI = Ik/(1+Ku/2)*Ku
Vin同上,PFC电感为工频交流峰值
按5楼参数核算(F=100KHz):
L = (1-247/800)*247*(1+0.5/2)/0.5/100K/51.6 = 82.7uH(= 6.91uS*247V/20.63A --- 按充电核算)
相同情况按输出400V计算:
L = (1-247/400)*247*(1+0.5/2)/0.5/100K/51.6 = 45.7uH,感量、占空比同比几近减半,显著轻松。
按你的参数核算(20KHz、10KW、100A)
Ik = (1+0.42/2)*2*10KW/247/0.98 = 100A
L = (1-247V/800V)*247V*(1+0.42/2)/0.42/20KHz/100A = 246uH (=34.56uS*247V/34.71A)
如果峰值电流允许,建议Ku取值0.67备用
Ik = (1+0.67/2)*2*10KW/247/0.98 = 110A
L = (1-247V/800V)*247V*(1+0.67/2)/0.67/20KHz/110A = 155uH 感量与纹波系数反比降低
3、电感设计
有了感量和峰值电流参数,可按此贴计算表格计算电感:磁环电感精确计算电子表格

按最低50%导磁比、最大35%窗口系数控制,以上两种规格可能的电感如下:
两个电感均以77868铁硅铝环具有最高性价比(重量*损耗的倒数)且窗口富余,按8A/mm
2载流密度瘦身后,电感重量可控制在15/11公斤以内
4、优化设计,优化的目标是电感重量,涉及成本和铜损
4.1、
纹波系数,通过以上计算可以发现,大致上,纹波系数与电感量的1次方呈反比、与铜损的1.5次方呈反比、与电感重量(即成本)的2次方呈反比。
经典的教材推崇的 Ku=0.4 其实并没有什么科学推理,只是主观地认为Boost铁氧体电感这样的取值最具性价比合理性,而实际上,增加纹波系数带来巨大的性价比优势,其纹波劣势完全可以(而且应该)由差模滤波来抹平,这意味着真正的合理取值是包括差模电感在内的系统总用磁用铜量的合理平衡。于是建议:
4.1.1、相同Ku值下,
PFC电感平均纹波仅有Boost电感的0.707倍,Ku 取值有理由同比增加抵达或者超过 0.57
4.1.2、铁硅铝类磁芯抗饱和、且纹波谷底电流下感量显著增加而实际纹波幅度显著降低,推荐 Ku 值可以抵达或者超过 0.67
4.1.3、并联交错更是可以抵达或者超过 1.0,在使用铁硅铝情况下,即使 Ku 抵达2.0仍然还是连续模式
4.2、
磁芯材质,铁氧体不如铁硅铝皮实(饱和、纹波、散热),也没有体积优势,尽量不用。近些年有些新型材质倒是应该考虑,栢科的
NPF磁环性能显著更好一点。
算了一下NPF,重量优化幅度竟然高达46%,铜损优化幅度高达39%,用磁量优化幅度更是高达64%(原本14只环才能搞定的事情5只环就搞定了),性价比提升了2.4倍,真TND给力!
该计算工具见附件
4.3、输入输出电压、也就是升压比、占空比。
上述计算表明,占空比与电感量呈正比,要千方百计缩小占空比,哪怕缩小10%也是惊喜。老子可以把10V升到1KV!那不叫牛逼,而叫愚蠢!比如你这个电源,明显有负载或者后级,它有一定的输入电压范围的适应性,为啥非要都升到800V?升到720V行不行?这立马产生10%的性价比收益,如果720V也行,那么710V行不行?就这样10V10V地抠下去。如果三相700V也行,那么单相500V行不行?要学会级联电平最优化衔接,得到一个前级后级都最舒坦的衔接电平范围。就算你是个死负载,没有一点调节功能,要实现三相800V18KW,单相10KW,那单相也是596V才对(这立马产生超过1/3的巨大性价比收益),何故咬牙坚持800V不松口?
4.4、频率是最有效的优化途径,20KHz是20年前的指标,IGBT都换了几代,现在的IGBT轻松上到50KHz,电感重量减半不止。减小的铜损足矣弥补IGBT的高频损耗,减轻的重量是真金白银、足矣再买一只IGBT,何乐而不为之?