ZHCT374 June 2022

3 小型升压转换器设计注意事项

虽然小型升压转换器会减小大容量电容器的尺寸和电容，但尽可能减少转换器所占的空间有助于保持原有的高功率密度目标。由于小型升压转换器的工作时间非常短（在交流压降事件期间），峰值工作电流和电压应力（而不是持续功率耗散）将决定功率级元件的选择。在 V_Bulk,min 下，电流应力应最大。选择升压二极管和金属氧化物半导体 FET (MOSFET)，用于在 V_Bulk,min（额定条件为 V_Bulk,max）下处理电流应力。小型升压电感器需要处理 V_Bulk,min 下的峰值电流。

Equation2 确定小型升压电感器的电感：

Equation2.

L_{B B} = \frac{V_{B u l k, m i n} \times (V_{B B} - V_{B u l k, m i n})}{{∆ i}_{L B B} \times F_{s, B B} \times V_{B B}}

其中 V_BB 是 C_BB 的电压，Δi_LBB 是小型升压电感器峰峰值纹波电流，F_s,BB 是小型升压转换器的开关频率。

由于目标是尽可能减小电感器的占用空间，因此Equation3 假定峰峰值纹波电流等于 V_Bulk,min 和最大输出功率下的输入电流的两倍：

Equation3.

{∆ i}_{L B B} = \frac{2 P_{O U T}}{V_{B u l k, m i n}} = \frac{2 \times 3 k W}{240 V} = 25 A

将 V_BB 稳定到 390V，并假定 F_s,BB = 500kHz，Equation2 计算 LBB 为 7.385µH。

由于封装的设计优先级高于功率耗散，因此最好使用饱和点较高的电感器磁芯；对于小型升压转换器，铁粉芯优于铁氧体磁芯。不过，铁粉芯的软饱和特性 [7] 会使小型升压电感器的设计有些困难。随着电流的增加，磁芯磁导率会下降（电感下降），因此必须确保在Equation2 中计算的 LBB 是 i_LBB 峰值下的电感。Equation4 估算给定磁场下的电感：

Equation4.

L = A_{L} \times μ_{i} % \times N^{2}

其中 A_L 是电感系数（亨利/匝数²），µ_i% 是给定磁场下初始磁导率的剩余百分比，N 是应用于电感器的匝数。

根据磁芯制造商，Equation5 表示 µ_i% 与磁场之间的关系：

Equation5.

μ_{i} % = \frac{1}{(a + {b H}^{c})}

其中 a、b 和 c 是常系数，H 是磁场。

假定小型升压电感器使用了磁性元件 0076381A7 [8]（Kool Mμ Hƒ 磁芯 [9]），则常系数 a、b 和 c 分别为 0.01、4.064∙10-7 和 2.131。

根据安培定律，Equation6 表示 H 与 N 之间的关系：

Equation6.

H = \frac{N \times I}{l_{e}}

其中 I 是穿过绕组的电流，l_e 是有效磁路长度（厘米）。

Equation2 和Equation3 计算 L_BB，Equation4、Equation5 和Equation6 将确定在给定磁场下达到电感所需的 N。

还可以通过迭代方式估算 N。假定给定电感器的电感在特定 H 和给定电流下工作，您可以使用Equation4、Equation5 和Equation6 评估计算出的 H 是否接近于假定的 H。

例如，如果您最初猜测当 I = 25A 时，H = 140Oe，电感器电感为 7.385µH，Equation4 计算得出的 µ_i% 为 39.65%。然后，将Equation2 和Equation3 计算出的 L_BB 以及计算出的 µ_i% 放入Equation4，然后得出 N 等于 20.8。

使用Equation6 和计算出的 N 验证 H，会得到 H = 125.67Oe。猜测的 H 和计算的 H 之间仍有误差，因此您可以再次猜测 H 并重新计算 H，直至误差可忽略不计。经过几次迭代后，您将找到正确的匝数（工作点）。使用迭代方法，当 N = 18.009 时，H 等于 108.75Oe。电感在 25A 下为 7.385µH。