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未解决

关于PFC电感设计

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1
dinghan1993
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助理工程师
  • 2022-7-15 16:47:48
10问答币
请问一下,我在设计一个220V升压到800V的PFC电路,输出功率大概10KW。请问这个PFC电感磁芯该选什么材料比较合适,电感量大概多少。CCM模式,我预计使用铁硅铝磁芯,400uH电感量,不知道是否合适
nc965
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版主
  • 2022-7-15 17:30:48
 
1、220V升800升压比太高,有点吃力,效率不会好,一般单相升到400V,三相升到700V为宜,业界共识,避免另起炉灶。
2、10KW,并联交错为宜,单路就是5KW
3、铁硅铝是首选,感量由频率决定,频率由器件决定,MOS可到100KHz,IGBT减半不止。
大A小B
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本网技师
  • 2022-7-17 23:09:32
 
选这么高压的MOS可能成本高了一点,相对来说还是IGBT的好。频率选取20K,磁芯选用NPF的,感量控制在550uH。升到800V没问题。
nc965
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版主
  • 2022-7-18 00:24:56
 
标题是电感设计,你这参数估计20公斤
dinghan1993
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助理工程师
  • 2022-7-19 10:11:01
 
谢谢,主频20k,采用100A IGBT模块。考虑到220V到600V宽电压输入,所以设计上只用了一种输出电压,当然也可以做切换,低输入时升到400V。高输入时升到800V。
dinghan1993
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LV3
助理工程师
  • 2022-7-19 10:19:23
 
我的全设计是220V-600V宽电压输入,可以单相三相输入,220V单相输入时输出功率10KW,380以上三相输入时输出18KW。
谢开源
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LV10
总工程师
  • 2022-7-15 21:10:18
 
10KW/800V=12.5A 两路交错6A左右,1000V的 SIC Mos+SiC diode 会很烫,不知你打算每路几个料并联?
nc965
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版主
  • 2022-7-15 21:58:10
 
10KW/220V才对,还有效率和纹波,60A吧,每路30A。
如果220V可能跌落20%(到176V),那就再扩大20%,72A/36A。
如果176V是交流,要做PFC,还要再扩大1.414倍,102A/51A
按100KHz并联交错设计,需2只82uHPFC电感,每只电感由4只47mm的77091铁硅铝磁环重叠、3.0截面导线绕制33匝、重2Kg
按400V设计,大约占空比减半、感量减半、重量减半,更趋于合理
dinghan1993
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LV3
助理工程师
  • 2022-7-19 10:27:38
 
版主,你有详细的PFC电感设计文件吗,我之前找的都不是很标准,我看你这个设计的参数都是挺精确的
nc965
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版主
  • 2022-7-19 19:04:35
 
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:
4.png
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/mm2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!
3.png
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?

POCOMagneticV3.0-CN.zip

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dinghan1993
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LV3
助理工程师
  • 2022-7-22 15:12:03
 
非常感谢版主提供的帮助,我现在也准备在原有的设计上增加不同的升压值,到时候装机测试效果。非常感谢
dinghan1993
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LV3
助理工程师
  • 2022-9-3 16:19:04
  • 倒数10
 
版主你好,现在PFC调试过程中出现电压过高现象。
下图1是IGBT的CE波形,用的PFC控制芯片是ICE3PCS02,输入220AC,频率20k,IGBT是100A 1200V,升压到450V。开机之后出现两段波形,第一段波形峰值能达到780多,如图2,尖峰过高。请问为什么会出现两段波形,并且第一段波形尖峰巨高,而且升压过后的母线电压瞬间也会达到800+。
图1
12.jpg 图2
bd88da8a7e6ba55d41e51ce0f091c99.jpg

nc965
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版主
  • 2022-9-6 11:42:55
  • 倒数9
 
测出谐振频率,根据Coss计算出谐振电感量,找到这个电感在哪里?
dinghan1993
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助理工程师
  • 2022-9-6 16:13:35
  • 倒数8
 
谢谢提醒,已经找到了,是在主电解跟母线之间连接了一个电感
dinghan1993
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助理工程师
  • 2022-9-8 13:43:20
  • 倒数6
 
李工,我现在加载发现电感文波较大,调整电感可以减小,但是作用不大。
下图是电感的电流波形。实验参数是:输入交流230V,输出630V,4000W,频率20k,电感460uH。按照计算纹波电流与峰值电流应该较小的,但是我这个测试结果怎么这么大。
256abc9cd34da88db1dd9aa6cded58f.jpg
e059ba178eda2348f56a04d832894e3.jpg
nc965
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版主
  • 2022-9-8 20:56:05
  • 倒数5
 
什么电感?几公斤?
dinghan1993
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助理工程师
  • 2022-9-11 11:54:53
  • 倒数4
 
铁硅铝磁芯,磁环尺寸74.45.35,磁芯型号供应商给的290125A,重量一斤吧
nc965
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版主
  • 2022-9-11 12:16:18
  • 倒数3
 
重量不够,电感饱和了,电流飙高。13楼有算法,30斤看够不够,你非要460uH/20KHz的话
dinghan1993
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助理工程师
  • 2022-9-11 12:26:50
  • 倒数2
 
电感量可以改,但是频率不能再高了,用的器件限制
nc965
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版主
最新回复
  • 2022-9-11 13:37:02
  • 倒数1
 
总之你要计算
谢开源
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总工程师
  • 2022-7-15 21:18:37
 
可参考附件设计

6.6KW totem pole PFC using UCC21520.zip

4.54 MB, 下载次数: 63, 下载积分: 财富 -2

常不在线网友
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高级工程师
  • 2022-7-20 09:03:27
 
感谢分享
wangdongchun
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专家
  • 2022-7-15 22:03:00
 
根据实际所接触到的实物来讲,铁硅铝材质是合适的选择。不知楼主线路工作频率多少?
dinghan1993
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LV3
助理工程师
  • 2022-7-19 10:08:42
 
谢谢各位的建议,主频20k,采用100A 的IGBT模块
BingSun
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LV10
总工程师
  • 2022-9-6 20:47:30
  • 倒数7
 
简单计算下电感电流:= 10000W/n /220V *1.15  = 55A
电感峰值电流 = 55A * 1.42 / (55A/(Imax - Imin) ) //与频率电感量有关,保守估计峰值电流已达100A
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