参数测量结果 - 平均电流模式控制的电流检测变压器电路设计

　　匝数比1: NN = 100

　　二次电感Lmag = 2.0 mH

　　二次绕组电阻Rwinding = 5.5 WΩ

　　铁心峰值通量密度PFD = 2000 Gauss

　　计算通量密度公式Bpk = (37.59 * Vind* DL*105) / (N*Fosc*10-3)

　　这两个表格列出了区别这几个参数所需的信息。

　　很容易便能计算得到二次绕组的峰值电流(方程式1)：

　　IRsenseL = IinLpk / N = 0.183 A

　　利用如下方程式计算得到检测电阻器的电阻值(方程式2)：

　　R1 = VRsense / IRsenseL = 5.464 ?.

　　假设转换器工作在最大负载和最小输入电压下，则可以计算得到二次绕组的电压。该总电压由电流检测电阻器 Rsense 的电压(根据定义为 1 伏)、二极管电压(定义为 0.7 伏)以及绕组电阻 VRwinding 的电压组成，其计算方法如下(方程式 3)：

　　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 = 6.995 ?s

　　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。