PFC模块的损耗分析及热设计研究
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摘要
本文通过对硬开关和软开关技术的PFC模块的损耗机理分析，建立数学模型，并给出
了较详细的损耗计算过程。在此基础上，通过把最优化方法应用到ZVT-PFC功率级电路、
辅助换流电路和高频电感器的设计中，进行了电路结构优化设计和元件参数优化选择，实
现最小重量的PFC电源模块的设计。以1.5kW零电压转换（ZVT）单相PFC整流电源模块
为例进行了相应的优化设计及实验数据分析。
其次，在探讨开关电源中的高频脉冲升压电感器工作特点的基础上，分析了在不同占
空比的脉冲电压激励下的磁芯损耗模型，从最小功耗角度推导出了最佳铜、铁损比。同时，
对其等效热路图进行分析，得到了电感热阻关系式。提出了按允许温升进行高频脉冲升压
电感器设计的方法和步骤。
最后，根据模块电源的技术指标和使用条件确定散热方式，通过计算所需热阻来选择
合适的散热器，给出了PFC电源模块热设计的方法和步骤。同时，通过实验数据分析说明
了该电源的热设计满足实际工作时所允许的可靠性要求。
In the dissertation, we analyzed and compared with the loss mechanism of the
Zero-Voltage-Transition PWM soft switching and classical PWM circuit. then gave a
more detail calculation. By applying optimum method in ZVT-PFC power circuit,
assistant commutation circuit and inductor design, we selects reasonable circuit
configuration and parameters , and obtain PFC power module which has a minimum
weight. The data obtained from a 1.5kW Zero-Voltage-Transition(ZVT) single
phase Power-Factor-Correction (PFC) rectifier with the PFC IC UC3 854 ,it supports
the conclusions results.
Secondly, by Studying the magnetic character under the high-frequent pulse
voltages, a practical method is presented for computing high-frequency ferrite core
losses in the magnetic component for different duty cycles pulse voltages waveforms.
The optimum distribution of the core and copper loss also can be deduced form the
minimum loss object mode. By analyzing the thermal circuit diagram, we get a
thermal resistance expression of inductor. A design procedure for optimum design
of a high-power, high-frequency inductor is presented. This procedure is based on a
given difference in temperature.
AT last, the cooling way is given according to the specifications and used
conditions of the Module power Supply. By calculating thermal resistance, we select
suitable sink. A process of thermal design to assure the reliable operation of Module
Power Supply in the temperature rating is presented ,practical results show good
agreement with the theory.
了较详细的损耗计算过程。在此基础上，通过把最优化方法应用到ZVT-PFC功率级电路、
辅助换流电路和高频电感器的设计中，进行了电路结构优化设计和元件参数优化选择，实
现最小重量的PFC电源模块的设计。以1.5kW零电压转换（ZVT）单相PFC整流电源模块
为例进行了相应的优化设计及实验数据分析。
其次，在探讨开关电源中的高频脉冲升压电感器工作特点的基础上，分析了在不同占
空比的脉冲电压激励下的磁芯损耗模型，从最小功耗角度推导出了最佳铜、铁损比。同时，
对其等效热路图进行分析，得到了电感热阻关系式。提出了按允许温升进行高频脉冲升压
电感器设计的方法和步骤。
最后，根据模块电源的技术指标和使用条件确定散热方式，通过计算所需热阻来选择
合适的散热器，给出了PFC电源模块热设计的方法和步骤。同时，通过实验数据分析说明
了该电源的热设计满足实际工作时所允许的可靠性要求。
In the dissertation, we analyzed and compared with the loss mechanism of the
Zero-Voltage-Transition PWM soft switching and classical PWM circuit. then gave a
more detail calculation. By applying optimum method in ZVT-PFC power circuit,
assistant commutation circuit and inductor design, we selects reasonable circuit
configuration and parameters , and obtain PFC power module which has a minimum
weight. The data obtained from a 1.5kW Zero-Voltage-Transition(ZVT) single
phase Power-Factor-Correction (PFC) rectifier with the PFC IC UC3 854 ,it supports
the conclusions results.
Secondly, by Studying the magnetic character under the high-frequent pulse
voltages, a practical method is presented for computing high-frequency ferrite core
losses in the magnetic component for different duty cycles pulse voltages waveforms.
The optimum distribution of the core and copper loss also can be deduced form the
minimum loss object mode. By analyzing the thermal circuit diagram, we get a
thermal resistance expression of inductor. A design procedure for optimum design
of a high-power, high-frequency inductor is presented. This procedure is based on a
given difference in temperature.
AT last, the cooling way is given according to the specifications and used
conditions of the Module power Supply. By calculating thermal resistance, we select
suitable sink. A process of thermal design to assure the reliable operation of Module
Power Supply in the temperature rating is presented ,practical results show good
agreement with the theory.
引文
[1] 诸邦田，电子电路实用抗干扰技术，人民邮电出版社，1996年5月。
[2] 丁连芬，蔡金涛译，电子设备可靠性热设计手册，电子工业出版社，1989年。
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[4] 丁道宏，“国内外开关电源的技术与市场”，电子产品世界，1999年2月。
[5] 桂勤昌，“公用电网的谐波污染和谐波管理”，电世界，1995年第4期。
[6] 林海雪，“国际电工委员会谐波标准简介”，中国电力，1998年第10期。
[7] 曲涛，“对国外限制电网谐波标准的分析”，中国电力，1993年第11期。
[8] 谐波国家标准起草工作组，“电能质量 公用电网谐波(国家标准)的编制”，中国电力，1993年第11期。
[9] 张占松，蔡宣三编，开关电源的原理与设计，电子工业出版社，1998年6月。
[10] Guichao Hua,Ching-Shan Leu ed al, "Novel Zero-voltage-Transition PWM Converters", IEEE Transactions on Power Electronics, 1994, 9(2) 213～218.
[11] Y. Yu, E C. Lee and J. E. Triner, "Power Converter Design Optimization",IEEE AES-15,No.3,May, 1979.
[12] S. S. Kelkar et.al, "A Computer-Aided Design and Simulation Tool for Switching Converter Components",IEEE, PESC Record,June, 1987,314-323.
[13] 陈芬，蔡宣三，“开关调节系统控制双目标优化设计”，清华大学学报 1989年 Vol.29.No 1.11-18。
[14] 张淑华，蔡宣三，“多谐振开关变换器的仿真与优化设计”，中国计算机学会第五届电源年会论文集，1990年10月。
[15] S. C. Wong ,A. D. Brown, "Simulation of Losses in Resonant Converter Circuits, INT. J. Electronics", 1999,Vol. 86, NO. 6, 763～783.
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[18] Philip C. Tood , "UC3854 Controlled Power Factor Correction Circuit Design",Unitrode Application Note.
[19] 陈为，何建农，“电力电子高频磁技术及其发展趋势”，电工电能新技术2000年第2期
[20] M Rascon, R Prieto, O Garcia, "Design of very low profile magnetic components using flex foils[C]", IEEE Applied Power Electronics Conference,APEC'97,561～567,1997.
[21] Waseem Roshen, "Ferrite Core Loss for Power Magnetic Components Design",IEEE Transactions Magnetics, Vol. 27, No.6, pp. 4407～4415,Nov. 1991.
[22] Saito et al, "Experimental verification of a CHUA type magnetization model", IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 25, No. 4, pp. 2968～2970,July 1989.
[23] John H. Chan et al, "Nonlinear transformer model for circuit simulation" ,IEEE transactions on computer-aided design, Vol. 10, No. 4, pp. 476～482, April 1991.
[24] 陈为，余素胜等，“不同占空比脉冲电压激励下的高频铁芯损耗”，电工电能技术，1998年，第4期。
[25] B. Carsten, "High frequency conductor losses in switch mode magnetics", in Proc. HFPC'86,1986,pp.155～176.
[26] J. Ferreira and J. Wyk, "A new method for the more accurate determination of conductor losses in power electronic converter magnetic components",in Proc. PEVD'88,1988,pp. 184～187.
[27] P. Dowell, "Effects of eddy currents in transformer windings", IEEE Proc. Vol. 113 ,pp.1387～1394,Aug. 1966.
[28] S. Mulder, "Fit formulae for power loss in ferrites and their use in transformer design," In Proc, PCIM'93,1993,pp.345～359.
[29] 杨进佩，韩东，“电子设备热处理实用方法”，电子工艺技术，1997年11月。
[30] Seri Lee, "Optimum design and selection of heat sinks" IEEE Semi-Therm Symposium,pp. 12-19,1992.
[31] 蔡宣三，龚绍文 编著，高频功率电子学 直流-直流变换部分，科学出版社，1993年。
[32] 过壁君，磁芯设计及应用，电子科技大学出版社，1989年。
[33] 杨世铭，陶文铨编，传热学(第三版)，高教出版社，1998
[34] D．S．斯坦伯格箸，电子设备冷却技术，航空工业出版社，1989年。
[35] 王沫然编著，MATLAB 5．X 与科学计算，清华大学出版社，2000年。
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[40] Wongee Chun and R. F. Boehm, "Calculation of Forced Flow and Heat Transfer Abound A Cylinder in Crossflow", Numerrical Heat Transfer, 15(1), 1989.
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[43] 周承高，廖园，优化方法及其程序设计，中国铁道出版社，1989年。
[44] 王健石主编 半导体器件散热器图册，中国标准出版社 1995年3月。
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