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6.6kW OBC 中 PFC 電感參數計算與工藝革新解析
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6.6kW OBC 中 PFC 電感參數計算與工藝革新解析

2025-04-17 09:28:55 來源:電子變壓器與電感網 作者:陳澤香

在車載充電機(OBC)中,PFC電感是保障充電穩(wěn)定的關鍵角色。以 6.6kW 的 OBC 為例,其內部包含有2個交錯式PFC電感,2個LLC主變壓器、2個諧振電感、2個共模電感以及輸出整流濾波電感等。今天,我們通過PFC電感設計實例,帶大家了解其設計過程。

電感

傳統(tǒng)圓線并繞PFC電感

01.設計前:給PFC電感制定工作KPI

PFC電感設計,首先要明確工作目標。在 6.6kW 的 OBC 中,常見的PFC電感設計要求如下:

輸入電壓:176~276V(適應不同電網電壓輸入);

輸出功率:6600W(承擔能量轉換的核心任務);

輸出電壓:400V(為后續(xù)電路提供穩(wěn)定高壓);

效率:約 95%(高效轉換能量,減少損耗)

開關頻率:40kHz(決定工作節(jié)奏);

紋波電流:設為最大峰值電流的 30%(讓電流更穩(wěn)定);

工作磁通密度:Bm=0.5T(保障磁性能穩(wěn)定)。

02.五步設計法:一步步設計PFC電感

第一步:計算最大占空比

占空比指開關管導通的比例。在升壓型 PFC 中,依據電壓關系公式,輸入取最小值 176V(整流后峰值為176),輸出 400V,代入計算z最大占空比≈0.378,這一步確定開關管的最大導通比例,相當于規(guī)劃其 “工作強度上限”。

第二步:計算輸入電流峰值

基于功率守恒,輸入功率=輸出功率/效率。使用公式代入輸出功率 6600W、效率 95%、輸入 176V可得電流峰值≈55.8A,這能找到電流的峰值,幫助選擇耐流的磁性元件。

第三步:計算電感紋波電流

按設計要求,取峰值電流的 30%:ΔI = 0.3 *55.8 = 16.7A。控制紋波電流,可減少電流波動,避免充電過程出現 “忽快忽慢” 的情況。

第四步:計算電感值

電感值決定其能量存儲能力。通過公式 帶入數據可得電感值≈141μH。這一步給電感設計合適的“能量倉庫”,確保能量轉換穩(wěn)定。

第五步:計算電流有效值

電流有效值用于評估發(fā)熱情況。依據公式代入55.8A,電流有效值≈39.4A。通過有效值設計散熱方案,可防止電感因過熱罷工。

在設計過程中,有兩個關鍵細節(jié)需要注意,一是輸入低壓時,電流峰值大,電感易飽和。因此計算時采用最小輸入電壓,確保在最壞情況下仍能穩(wěn)定工作。二是輸入輸出電壓、功率、頻率等參數環(huán)環(huán)相扣,如同齒輪配合,共同決定電感的最終設計,缺一不可,需要注意參數間的協(xié)同。

03.軟件設計實例:精確驗證,讓設計落地有聲

完成理論計算后,借助專業(yè)設計軟件,結合實際磁芯參數進行驗證。以 “鐵硅二代 184 磁芯(53T,線徑 Φ1.4X2)” 為例,軟件會綜合以下數據精細計算:

磁芯基礎參數:磁芯材料為鐵硅二代,外徑最大 46.74mm,內徑最小 24.13mm,磁路長度 10.74cm,截面積 1.99cm²。這些物理尺寸是電磁性能計算的基礎。

繞組與電路參數:線徑 2.14mm,每匝線長 6.21cm;開關頻率 40kHz,峰值電流 22.65A,紋波電流 5.91A。軟件基于這些參數模擬電流、磁通量的動態(tài)變化。

損耗與溫升分析:聚焦 60μ 磁導率數據,直流損耗 2.23W,交流損耗 9.96W;總直流損耗 13.53W,交流損耗 21.26W,直流溫升 81.0℃,交流溫升 118.0℃。這些數據直觀呈現電感工作發(fā)熱情況,幫助工程師判斷是否需優(yōu)化散熱設計或調整參數。

通過軟件模擬,不僅驗證了電感值等前期計算的合理性,還全面評估了磁芯損耗、溫升等實際工作表現,確保 PFC電感在車載 OBC 中穩(wěn)定運行。

04.PFC電感設計演進:工藝升級推動性能突破

PFC電感的發(fā)展歷經多代工藝革新:

PFC電感1 代:圓線并繞起步

早期采用 2 個 PFC 1 代設計,運用圓線并繞工藝。圓線并繞雖能滿足基礎電感需求,但在高頻損耗、空間利用率上存在優(yōu)化空間。

PFC電感 2 代:扁線立繞升級

技術迭代對二代 PFC電感進行了兩個優(yōu)化,扁線和立繞工藝。扁線增加了導線有效截面積,降低高頻趨膚效應損耗;立繞優(yōu)化磁芯空間利用,提升電感功率密度與性能。

交錯式 PFC電感:高效集成

最終演進為 1 個交錯 PFC 設計,搭配鐵氧體磁芯與金屬粉芯扁線立繞。交錯結構平衡電流分配、減少紋波,緊湊形態(tài)適配車載 OBC 對小型化、高可靠性的要求,實現性能與空間利用的雙重突破。

05.結語

從設計目標規(guī)劃、五步設計法推導,到軟件驗證與工藝演進,PFC電感設計處處體現對細節(jié)的極致追求。作為車載 OBC 中穩(wěn)流的核心角色,它以精密設計保障充電過程的高效與穩(wěn)定。這些技術突破不僅提升了車載充電的可靠性,更推動著整個車載充電技術不斷向前發(fā)展,為新能源汽車產業(yè)的進步注入堅實動力。

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