功率因數(shù)校正用電感材料

Inductance Material for Use in PFC

摘 要 ： 介 紹 用 于 無(wú) 源 和 有 源 功 率 因 數(shù) 校 正 中 電 感 材 料 的 特 性 和 選 擇 。

Abstract:The characteristic and selection of inductance material for use in PPFC and APFC are introduced.

關(guān) 鍵 詞 ： 電 感 材 料 無(wú) 源 功 率 因 數(shù) 校 正 有 源 功 率 因 數(shù) 校 正

Keywords:Inductance material， PPFC， APFC

1引言

　　開關(guān)電源（硬開關(guān)方式）如今已經(jīng)實(shí)用化、商品化，其突出的優(yōu)點(diǎn)效率高，體積小，重量輕已被人們認(rèn)可。但是負(fù)面效應(yīng)決不可忽視，由于不可控整流方式網(wǎng)側(cè)輸入電流為非正弦周期電流，AC/DC變換器在投入運(yùn)行時(shí)，將向電網(wǎng)注入大量的高次諧波，因此網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)不高，僅有0.6左右，并對(duì)電網(wǎng)和其它電氣設(shè)備造成嚴(yán)重諧波污染與干擾。在三相四線制供電方式中，由于多次諧波分量疊加，使中線電流增大，這是一個(gè)很棘手的問(wèn)題。而如今計(jì)算機(jī)電源、UPS、程控交換機(jī)電源、電焊機(jī)電源、電子鎮(zhèn)流器等早已高頻開關(guān)化，其對(duì)電網(wǎng)的污染已達(dá)到必須治理的程度，因此功率因數(shù)校正技術(shù)正在成為熱點(diǎn)，并將成為商家進(jìn)入市場(chǎng)的關(guān)鍵。

　　從電工學(xué)原理講，功率因數(shù)PF是指交流輸入有功功率P與視在功率S的比值。

　　PF=P/S=UI1cosφ/UI2=DFcosφ（1）

式中:I1—基波電流有效值;

I2—電網(wǎng)電流有效值；

U—電網(wǎng)電壓有效值;

φ—基波電流、電壓的相位差；

　　DF（distortionfactor）為電流失真因子。

　　要使PF→1，必須對(duì)輸入電流嚴(yán)重非正弦情況采取相應(yīng)的措施，使DF→1，同時(shí)還必須使基波電流與電壓相位差φ→0，才能使PF→1，所以功率因數(shù)校正實(shí)際上是對(duì)輸入電流整形使其盡可能正弦化，同時(shí)改善電源系統(tǒng)的輸入阻抗，使之盡量呈電阻性，使基波電流與電壓同相位。這就是功率因數(shù)校正的基本思路。

　　開關(guān)電源的功率因數(shù)校正器（PFC）可分為兩類，一類為有源PFC，由電感電容及電子元器件組成；另一類為無(wú)源PFC，一般采用電感補(bǔ)償方法使交流輸入的基波電流與電壓之間相位差減小來(lái)提高功率因數(shù)。在校正電路中有源PFC較多采用高頻升壓電路功率因數(shù)開關(guān)調(diào)節(jié)器，通常采用Boost電路，基本電路拓樸見圖1。

圖1升壓型Boost電路

　　圖中Li為儲(chǔ)能電感，看起來(lái)并不復(fù)雜的電路，但是如何能夠合理選擇元件及相關(guān)元件的材料是關(guān)鍵所在，本文將就PFC技術(shù)中的電感元件及材料開展討論。

2無(wú)源PFC中的電感材料選擇

　　無(wú)源PFC是一個(gè)由電感、電容組成的低通濾波器，如圖2所示是一種低通濾波器的電路原理圖，其中L1是共模電感，L2,L3是差模電感。

　　共模電感是完全對(duì)稱、線圈匝數(shù)相同的兩個(gè)電感線圈，繞在同一個(gè)鐵心上，電流同方向流經(jīng)兩組線圈后，根據(jù)右手螺旋法則，在電感鐵心內(nèi)產(chǎn)生兩個(gè)方向相反的磁場(chǎng)，由于流經(jīng)電流大小，線圈匝數(shù)完全相同，磁場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)弱相當(dāng)，因而完全抵消，不存在磁飽和問(wèn)題，主要是要考慮電感鐵心材料的初始磁導(dǎo)率μo，對(duì)于這類材料的μo越高越好，通常有高μo系列的鐵氧體磁心，μo=4×103，6×103，8×103，1×104等類型，鐵基超微晶材料μo≥5×104，坡莫合金系

列如1J79，1J851系列，μo≥5×104。在選擇金屬磁性材料時(shí)必須注意頻響問(wèn)題(見圖3)1J79或1J851系列的磁心μo隨頻率上升而下降的幅度比較大，越薄的材料，μo隨頻率下降的幅度比較小，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意這一點(diǎn)。

圖2低通濾波器電路原理圖

　　差模電感主要要解決磁飽和問(wèn)題，在實(shí)際使用過(guò)程中，廣大電路工作者已經(jīng)逐步認(rèn)識(shí)到了磁粉心的優(yōu)越性，使用鐵心加氣隙的作法（鐵氧體磁心加氣隙，非晶磁心加氣隙，硅鋼磁心加氣隙）已越來(lái)越少。現(xiàn)在用于濾波器中差模電感鐵心大多為有效磁導(dǎo)率為60～75的磁粉心，B500=1.34T，即在39788.5A/m(即500Oe)的磁場(chǎng)強(qiáng)度下，磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)1.34T。

圖3磁心μO隨頻率f的變化關(guān)系

　　圖4是有效磁導(dǎo)率為75的鐵粉心的靜態(tài)磁滯回線，和鐵氧體材料相比，有高的Bs值，不易飽和，因此體積至少可減小一半，采用廉價(jià)的鐵粉作原料，并且不需要開口，沒(méi)有噪聲，成本可大大降低，價(jià)格可以和鐵氧體比擬，以?27×?14×11的規(guī)格為例，它可以承受400安匝而不飽和，優(yōu)點(diǎn)突出。

圖4μe=75鐵粉心的B－H曲線

　　但是值得商榷的是，可選擇作為濾波器的差模電感的磁粉心不僅僅是μe=75鐵粉心一種，圖5是鐵粉心系列μe=75，μe=55，μe=35磁導(dǎo)率隨頻率變化的曲線，可見它們磁導(dǎo)率隨頻率上升而下降的趨勢(shì)不同。圖6是MICROMETARS公司－8（μe=35）和上海鋼研精密合金器材研究所SF－33（μe=37.5）鐵粉心材料的插入損耗曲線，可見吸收峰出現(xiàn)在不同的頻率范圍內(nèi)，因此除了考慮電感量大小，磁飽和問(wèn)題，價(jià)格等因素外，還應(yīng)該考慮抑制噪聲的頻率范圍，來(lái)選擇不同型號(hào)的鐵粉心。

圖5有效磁導(dǎo)率與頻率的關(guān)系曲線

圖6兩種鐵粉心的插入損耗曲線

3有源PFC中的電感材料選擇

　　在功率放大的功率因數(shù)校正中基本上是采用升壓式變換電路，而升壓電感是串在輸入回路中，電感電流等于輸入電流，只要控制電感電流就可以達(dá)到控制輸入電流。功率開關(guān)器件的切換速率ωS遠(yuǎn)大于工頻ωo（ωS=Kωo，K?1）；L值大得足以使電感中的電流連續(xù)，當(dāng)功率器件開關(guān)切換脈沖占空比的變化遵循正弦規(guī)律時(shí)，即所謂正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）時(shí)電感中流過(guò)的電流為：

iL=UpsinωotIpsinωot/Upsin[sinωot＋(Dπ/K)](2)

當(dāng)K?1時(shí)，

iL=Ipsinωot(3)

即iL與輸入電壓一樣，都是正弦波，相位又相同,從而實(shí)現(xiàn)了DF=1，cosφ=1，達(dá)到功率因數(shù)校正的目的。

　　從圖7中可見，S的控制信號(hào)實(shí)際上受控于輸入電壓，開通時(shí)由全波整流電路為L(zhǎng)充電，關(guān)斷后L上的電壓與輸入電壓疊加為電容C和負(fù)載提供能量，因此PFC中的電感是一個(gè)儲(chǔ)能電感而且電感量又必須足夠的大，在50Hz基波電流上又疊加了高頻成份，對(duì)于該電感鐵心材料提出了相當(dāng)高的要求，即在強(qiáng)的基波電流作用下不飽和又在高頻下有低的損耗。

圖7基本升壓型有源功率因數(shù)校正電路

　　目前扼流圈鐵心使用的材料主要有兩類，一類是功率鐵氧體磁心加開氣隙，另一類是磁粉心。表1是它們的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度（Bs）的比較，其中錳鋅軟磁鐵氧體Bs值最低，為0.5T，約為鐵粉心的一半左右，因此在同樣安匝數(shù)下和鐵粉心相比截面將增加1倍左右，因而體積勢(shì)必增大。

表1不同材料的Bs值比較

　　另外由于加開氣隙，在鐵氧體開氣隙處表面，形成表面渦流，造成鐵氧體磁心局部升溫，使鐵氧體磁心發(fā)熱，當(dāng)溫度超過(guò)鐵氧體居里點(diǎn)時(shí)，有效磁導(dǎo)率μe急劇下降為0，這也是功率鐵氧體磁心用作電感不利的一面，許多電源工作者對(duì)鐵氧體磁心在有源PFC線路中用作儲(chǔ)能電感鐵心持否定態(tài)度，可能主要就是這個(gè)原因吧。

　　關(guān)于磁粉心在PFC電感中的應(yīng)用，已被很多電源工作者所認(rèn)可。目前磁粉心材料大致有鐵粉心，Sendust粉心（FeSiAl），坡莫合金粉心（P.P.M），從損耗曲線上可以看出，P.P.M（μe=60）及Sendust(μe=60)和鐵粉心（μe=35）相比，前二者約為后者的1/10～1/6，因此，鐵粉心可以排除，無(wú)法用作PFC電感材料，除非大大增加體積，降低工作B值。

　　國(guó)外文獻(xiàn)對(duì)于PFC電感材料一般都介紹坡莫合金系列，筆者以為，2Mo80NiFe磁粉系列（μe=160，147，125，60等）有優(yōu)良的性能，其頻率特性、電流特性，損耗特性均為目前最高水平，而且系列化，有可選擇余地，但是價(jià)格比較昂貴，在電源價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)激烈的今天，很多使用者無(wú)法接受，我們向廣大電源工作者推薦比較廉價(jià)的FeSiAl粉心。

圖8FeSiAl系列μe－f曲線

圖9FeSiAl粉心μ/μO－I曲線

圖10損耗曲線（f=20kHz）

　　FeSiAl材料很早就被發(fā)現(xiàn)有優(yōu)良的磁性能（可以和坡莫合金相比擬），高μ值（μo=8×104～10×104），低損耗，Bs=1.1T，但由于其脆性，加工困難，而沒(méi)有大量使用。我所經(jīng)過(guò)幾年的研制開發(fā)，形成了系列的FeSiAl磁粉心產(chǎn)品，μe=90±5，55±5，35±5，目前進(jìn)一步推向市場(chǎng)，圖8，9是它們的μe－f曲線和電流特性曲線，可以和2Mo80NiFe相比擬，從圖10中所介紹的損耗曲線中可以發(fā)現(xiàn)，它的損耗高于坡莫合金磁粉心，但遠(yuǎn)低于鐵粉心，可用在PFC中作電感材料。

4結(jié)論

　　功率因數(shù)校正技術(shù)將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，廣大電源工作者希望找到合適的材料來(lái)滿足電路的要求。筆者本著這一目的介紹有關(guān)電感材料的一些情況及特性。介紹了鐵粉心在PFC中的應(yīng)用，提出了抑制噪聲頻段不同，在差模中應(yīng)用可選擇不同磁導(dǎo)率鐵粉

心的觀點(diǎn)。根據(jù)有源PFC電感的特點(diǎn)，指出使用磁粉心作為有源PFC電感鐵心優(yōu)于使用功率鐵氧體開氣隙磁心，并介紹了FeSiAl材料的系列磁粉心，旨在增加廣大電源工作者選擇余地，制造出體積更小、溫升更低、價(jià)格更廉的功率因數(shù)校正器。

　　參考文獻(xiàn)

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