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平均电流模式控制的电流检测变压器电路设计

时间:05-28 来源:作者:John Bottrill,德州仪器 (TI) 高级应用工程师 点击:

VRwinding = Rwinding * IRsenseL = 1.007 V

电感总电压的计算方法如下(方程式 4):

Vind = VRsense +Vfd + VRwinding = 2.707 V

该电压出现在磁化电感的时长为(方程式 5):

TonL = DL / Fosc = 6.995μs

磁化电感磁化电流的变化为(方程式 6):

?Imagpk = (TonL * Vind) / Lmag = 9.466 mA

这时,你需要确认该变压器没有出现饱和。利用推导所得值,其计算方程式如下(方程式 7):

Bpk = (37.59 * Vind* DL*105)/(N*Fosc*10-3) = (37.59 * 2.707 * 0.699 * 105)/(100 * 105 * 10-3) = 711.6

根据产品说明书,最大允许通量水平为 30% 左右,即 2000。

由于这种配置的通量密度是在极端条件下得到的,其不到易产生饱和的通量水平的一半,因此只要在"关闭"时间能够急剧降低,那么就允许磁化电流增加(这时几乎为原来的三倍)。

为了防止变压器"走向"饱和,你需要在 Q1 关闭期间有一个伏秒积分。这样便可在"开启"时间平衡伏秒积分。通过放置一个电阻器 R1(称作重置电阻器),可以达到这个目的,这样"开启"期间形成的磁化电流便会在"关闭"期间强制在该重置电阻器 (R1) 中形成一伏特电压。请记住,该电阻器的电压会随磁化电流减少而下降。

要想知道 R1 的值,可设置峰值磁化电流为 2 * DImagpk,然后设计电路,这样在"开启"期间所选电阻器便会降低磁化电流至0.5 * DImagpk。这样可以确保峰值电流低于2 * DImagpk时也能正常工作。

将磁化电感的初始电流设置为 Iinit = 20 mA,把最终磁化电流设置为 Ifinal = 5 mA。"关闭"时间为Toff = 3.005 μs,而所选变压器的磁化电感Lmag为2 mH(产品说明书提供)。知道这些信息后,便可得到R1电阻器的值(方程式 8)。

R1= ((ln(Iinit/Ifinal)) * Lmag) / Toff) = ((ln(4)) * 2 mH) / (3.005 μs) = 922.6Ω

这时,解决方案的一半已经完成。你还需要解决增压二极管电流检测器的电流变压器电路的设计问题。T2 电流变压器的极端情况是最大负载时出现峰值最大线压。

高线压峰值下主开关"开启"时间为整流二极管 D3 和 T2 电流变压器一次绕组的最大导电时间。这就是将要用于设计的状态。

由于相同一次电流需要相同的电流检测电阻器电压,因此两个变压器所使用的Rsense 也相同。T2一次绕组的电流的导电时间为(1-D)。变压器一次绕组的最大导电时间为(方程式 9):

Tondiode = (1-DH) / Fosc = 9.369 μs

变压器的相应重置时间为(方程式 10):

Toffdiode = DH / Fosc = 0.631 μs

这些状态下(最大输入电压)T2 变压器一次绕组的电流大大小于低输入电压。高线压时,最大电流 IinHpk 仅为 5.87 安培。

这样便得到这些状态下的检测电阻器电压(方程式 11):

VRsencehigh = (IinHpk / N) * R2 = ((5.87 A) / 100) * 5.464 Ω = 0.292 V

内部绕组电阻的电压为(方程式 12):

VRwindingH = (IinHpk / N) * Rwinding = 0.294 V

变压器磁化电感的电压等于(方程式 13):

VmagHigh = VRsencehigh + Vfd + VRwindingH = 0.292 V + 0.7 V + 0.294 V = 1.285 V

单次脉冲的铁心通量为(方程式 14):

BpkH = (37.59 * VmagHigh * (1-DH) * 105) / (100 * Fosc *10-3)
= (37.59 * 1.285 * .937 *105) / (100 * 105 *10-3) = 452.6

通量为允许通量的 25% 左右。

磁化电流计算方法如下(方程式 15):

ImagH = (VmagHigh * Tondiode )/ Lmag = (1.285 V * 9.369μs) / 2 mH = 6.02ma

现在,如果我们设置磁化电流限制为两倍ImagH峰值,最终电流为ImagH的一半,而时间则为TresetH,其中TresetH = DH/Fosc,这样我们便可以计算得到R2的值(方程式 16):

R2 = ((ln(2/.5)) *Lmag) / TresetH = (1.386 * 2 *10-3 ) / (.631 * 10-6) = 4.395 kΩ

结论

到此,我们便完成了 PFC 电流检测电路的设计。降压转换器的平均电流模式控制使用的计算方法与此类似。使用降压转换器峰值电流模式控制时,只需使用上述计算方法便可,并在最大负载和最小输入电压时使用主开关占空比限制。

1 kW 以上 PFC 转换器常常使用的 PFC 控制器是 UCC2817a。功率更高时,可利用本文中介绍的电流检测变压器,来测量功率FET和输出二极管的电流。

参考文献

UCC2817a 产品说明书下载地址为:ucc2817a数据手册.pdf

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