如何選用電感材料校正開關(guān)電源中功率因數(shù)
開關(guān)電源（硬開關(guān)辦法）如今現(xiàn)已實(shí)用化、商品化，其杰出的長處效率高，體積小，重量輕已被大家認(rèn)可。可是負(fù)面效應(yīng)決不可忽略，因?yàn)椴豢煽卣鬓k法網(wǎng)側(cè)輸入電流為非正弦周期電流，AC/DC改換器在投入運(yùn)行時(shí)，將向電網(wǎng)寫入很多的高次諧波，因而網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)不高，僅有0.6擺布，并對電網(wǎng)和其它電氣設(shè)備構(gòu)成嚴(yán)峻諧波污染與攪擾。在三相四線制供電辦法中，因?yàn)閷掖沃C波重量疊加，使中線電流增大，這是一個(gè)很棘手的問題。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，其對電網(wǎng)的污染已到達(dá)有必要管理的程度，因而功率因數(shù)校對技能正在變成熱門，并將變成商家進(jìn)入市場的要害。
從電工學(xué)原理講，功率因數(shù)PF是指溝通輸入有功功率P與視在功率S的比值。
PF=P/S=UI1cosφ/UI2=DFcosφ（1）
式中：I1—基波電流有用值;
I2—電網(wǎng)電流有用值；
U—電網(wǎng)電壓有用值;
φ—基波電流、電壓的相位差；
DF（distortionfactor）為電流失真因子。
要使PF→1，有必要對輸入電流嚴(yán)峻非正弦狀況采納相應(yīng)的辦法，使DF→1，一起還有必要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)校對實(shí)際上是對輸入電流整形使其盡能夠正弦化，一起改進(jìn)電源體系的輸入阻抗，使之盡量呈電阻性，使基波電流與電壓同相位。這即是功率因數(shù)校對的根本思路。
開關(guān)電源的功率因數(shù)校對器（PFC）可分為兩類，一類為有源PFC，由電感電容及電子元器材構(gòu)成；另一類為無源PFC，通常選用電感抵償辦法使溝通輸入的基波電流與電壓之間相位差減小來進(jìn)步功率因數(shù)。在校對電路中有源PFC較多選用高頻升壓電路功率因數(shù)開關(guān)調(diào)節(jié)器，通常選用Boost電路，根本電路拓樸見圖1。
圖1 升壓型Boost電路
圖中Li為儲(chǔ)能電感，看起來并不雜亂的電路，可是怎么能夠合理挑選元件及有關(guān)元件的資料是要害所在，這篇文章遷就PFC技能中的電感元件及資料展開評(píng)論。
2 無源PFC中的電感資料挑選
無源PFC是一個(gè)由電感、電容構(gòu)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，其間L1是共模電感，L2，L3是差模電感。
共模電感是徹底對稱、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，依據(jù)右手螺旋規(guī)則，在電感鐵心內(nèi)發(fā)生兩個(gè)方向相反的磁場，因?yàn)榱鹘?jīng)電流巨細(xì)，線圈匝數(shù)徹底相同，磁場強(qiáng)度強(qiáng)弱適當(dāng)，因而徹底抵消，不存在磁飽滿問題，首要是要思考電感鐵心資料的初始磁導(dǎo)率μo，對于這類資料的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，鐵基超微晶資料μo≥5×104，坡莫合金系列如1J79，1J851系列，μo≥5×104。在挑選金屬磁性資料時(shí)有必要留意頻響問題（見圖3）1J79或1J851系列的磁心μo隨頻率上升而下降的起伏對比大，越薄的資料，μo隨頻率下降的起伏對比小，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)留意這一點(diǎn)。
圖2 低通濾波器電路原理圖
差模電感首要要處理磁飽滿問題，在實(shí)際運(yùn)用過程中，廣闊電路工作者現(xiàn)已逐步認(rèn)識(shí)到了磁粉心的優(yōu)越性，運(yùn)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）已越來越少。如今用于濾波器中差模電感鐵心大多為有用磁導(dǎo)率為60～75的磁粉心，B500=1.34T，即在39788.5A/m（即500Oe）的磁場強(qiáng)度下，磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)1.34T。
圖3 磁芯u0隨頻率f的改變聯(lián)系
圖4是有用磁導(dǎo)率為75的鐵粉心的靜態(tài)磁滯回線，和鐵氧體資料對比，有高的Bs值，不易飽滿，因而體積最少可減小一半，選用賤賣的鐵粉作原料，并且不需要開口，沒有噪聲，本錢可大大下降，報(bào)價(jià)能夠和鐵氧體對比，以 27× 14×11的規(guī)格為例，它能夠承受400安匝而不飽滿，長處杰出。
圖4 μe=75鐵粉心得B-H曲線
可是值得商討的是，可挑選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)率隨頻率改變的曲線，可見它們磁導(dǎo)率隨頻率上升而下降的趨勢不相同。圖6是MICROMETARS公司－8（μe=35）和上海鋼研精細(xì)合金器材研究所SF－33（μe=37.5）鐵粉心資料的插入損耗曲線，可見吸收峰出如今不相同的頻率規(guī)模內(nèi)，因而除了思考電感量巨細(xì)，磁飽滿問題，報(bào)價(jià)等要素外，還應(yīng)該思考抑制噪聲的頻率規(guī)模，來挑選不相同型號(hào)的鐵粉心。
圖5 有用磁導(dǎo)率與頻率的聯(lián)系曲線
圖6 兩種鐵粉心的插入損耗曲線
3 有源PFC中的電感資料挑選
在功率放大的功率因數(shù)校對中根本上是選用升壓式改換電路，而升壓電感是串在輸入回路中，電感電流等于輸入電流，只需操控電感電流就能夠到達(dá)操控輸入電流。功率開關(guān)器材的切換速率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接連，當(dāng)功率器材開關(guān)切換脈沖占空比的改變遵從正弦規(guī)則時(shí)，即所謂正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）時(shí)電感中流過的電流為：
當(dāng)K=1時(shí)，
iL=Ipsinωot（3）
即iL與輸入電壓相同，都是正弦波，相位又相同，然后完成了DF=1，cosφ=1，到達(dá)功率因數(shù)校對的意圖。從圖7中可見，S的操控信號(hào)實(shí)際上受控于輸入電壓，注冊時(shí)由全波整流電路為L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)載供給能量，因而PFC中的電感是一個(gè)儲(chǔ)能電感并且電感量又有必要滿意的大，在50Hz基波電流上又疊加了高頻成份，對于該電感鐵心資料提出了適當(dāng)高的需求，即在強(qiáng)的基波電流效果下不飽滿又在高頻下有低的損耗。
圖7 根本升壓型有源功率因數(shù)校對電路
當(dāng)前扼流圈鐵心運(yùn)用的資料首要有兩類，一類是功率鐵氧體磁心加開氣隙，另一類是磁粉心。表1是它們的飽滿磁感應(yīng)強(qiáng)度（Bs）的對比，其間錳鋅軟磁鐵氧體Bs值最低，為0.5T，約為鐵粉心的一半擺布，因而在相同安匝數(shù)下和鐵粉心對比截面將添加1倍擺布，因而體積必然增大。
表1不相同資料的Bs值對比
別的因?yàn)榧娱_氣隙，在鐵氧體開氣隙處外表，構(gòu)成外表渦流，構(gòu)成鐵氧體磁心部分升溫，使鐵氧體磁心發(fā)熱，當(dāng)溫度超過鐵氧體居里點(diǎn)時(shí)，有用磁導(dǎo)率μe急劇下降為0，這也是功率鐵氧體磁心用作電感晦氣的一面，許多電源工作者對鐵氧體磁心在有源PFC線路中用作儲(chǔ)能電感鐵心持否定態(tài)度，能夠首要即是這個(gè)原因吧。
對于磁粉心在PFC電感中的運(yùn)用，已被許多電源工作者所認(rèn)可。當(dāng)前磁粉心資料大致有鐵粉心，Sendust粉心（FeSiAl），坡莫合金粉心（P.P.M），從損耗曲線上能夠看出，P.P.M（μe=60）及Sendust（μe=60）和鐵粉心（μe=35）對比，前二者約為后者的1/10～1/6，因而，鐵粉心能夠掃除，無法用作PFC電感資料，除非大大添加體積，下降工作B值。
國外文獻(xiàn)對于PFC電感資料通常都介紹坡莫合金系列，筆者認(rèn)為，2Mo80NiFe磁粉系列（μe=160，147，125，60等）有優(yōu)秀的功能，其頻率特性、電流特性，損耗特性均為當(dāng)前最高水平，并且系列化，有可挑選地步，可是報(bào)價(jià)對比貴重，在電源報(bào)價(jià)競爭劇烈的今日，許多運(yùn)用者無法承受，咱們向廣闊電源工作者引薦對比賤賣的FeSiAl粉心。
圖8 FeSiAl系列μe-f曲線
圖9 FeSiAl粉心μ/μ0-I曲線
圖10 損耗曲線（f=20kHz）
FeSiAl 資料很早就被發(fā)現(xiàn)有優(yōu)秀的磁功能（能夠和坡莫合金對比較），高μ值（μo=8×104～10×104），低損耗，Bs=1.1T，但因?yàn)槠浯嘈裕庸てD難，而沒有很多運(yùn)用。我所通過幾年的研制開發(fā)，構(gòu)成了系列的FeSiAl磁粉心產(chǎn)品，μe=90±5，55±5，35±5，當(dāng)前進(jìn)一步推向市場，圖8，9 是它們的μe－f曲線和電流特性曲線，能夠和2Mo80NiFe對比較，從圖10中所介紹的損耗曲線中能夠發(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中作電感資料。
4 結(jié)論
功率因數(shù)校對技能將得到越來越廣泛的運(yùn)用，廣闊電源工作者期望找到適宜的資料來滿意電路的需求。筆者本著這一意圖介紹有關(guān)電感資料的一些狀況及特性。介紹了鐵粉心在PFC中的運(yùn)用，提出了抑制噪聲頻段不相同，在差模中運(yùn)用可挑選不相同磁導(dǎo)率鐵粉心的觀念。依據(jù)有源PFC電感的特色，指出運(yùn)用磁粉心作為有源PFC電感鐵心優(yōu)于運(yùn)用功率鐵氧體開氣隙磁心，并介紹了FeSiAl資料的系列磁粉心，旨在添加廣闊電源工作者挑選地步，制造出體積更小、溫升更低、報(bào)價(jià)更廉的功率因數(shù)校對器。
從電工學(xué)原理講，功率因數(shù)PF是指溝通輸入有功功率P與視在功率S的比值。
PF=P/S=UI1cosφ/UI2=DFcosφ（1）
式中：I1—基波電流有用值;
I2—電網(wǎng)電流有用值；
U—電網(wǎng)電壓有用值;
φ—基波電流、電壓的相位差；
DF（distortionfactor）為電流失真因子。
要使PF→1，有必要對輸入電流嚴(yán)峻非正弦狀況采納相應(yīng)的辦法，使DF→1，一起還有必要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)校對實(shí)際上是對輸入電流整形使其盡能夠正弦化，一起改進(jìn)電源體系的輸入阻抗，使之盡量呈電阻性，使基波電流與電壓同相位。這即是功率因數(shù)校對的根本思路。
開關(guān)電源的功率因數(shù)校對器（PFC）可分為兩類，一類為有源PFC，由電感電容及電子元器材構(gòu)成；另一類為無源PFC，通常選用電感抵償辦法使溝通輸入的基波電流與電壓之間相位差減小來進(jìn)步功率因數(shù)。在校對電路中有源PFC較多選用高頻升壓電路功率因數(shù)開關(guān)調(diào)節(jié)器，通常選用Boost電路，根本電路拓樸見圖1。
圖1 升壓型Boost電路
圖中Li為儲(chǔ)能電感，看起來并不雜亂的電路，可是怎么能夠合理挑選元件及有關(guān)元件的資料是要害所在，這篇文章遷就PFC技能中的電感元件及資料展開評(píng)論。
2 無源PFC中的電感資料挑選
無源PFC是一個(gè)由電感、電容構(gòu)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，其間L1是共模電感，L2，L3是差模電感。
共模電感是徹底對稱、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，依據(jù)右手螺旋規(guī)則，在電感鐵心內(nèi)發(fā)生兩個(gè)方向相反的磁場，因?yàn)榱鹘?jīng)電流巨細(xì)，線圈匝數(shù)徹底相同，磁場強(qiáng)度強(qiáng)弱適當(dāng)，因而徹底抵消，不存在磁飽滿問題，首要是要思考電感鐵心資料的初始磁導(dǎo)率μo，對于這類資料的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，鐵基超微晶資料μo≥5×104，坡莫合金系列如1J79，1J851系列，μo≥5×104。在挑選金屬磁性資料時(shí)有必要留意頻響問題（見圖3）1J79或1J851系列的磁心μo隨頻率上升而下降的起伏對比大，越薄的資料，μo隨頻率下降的起伏對比小，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)留意這一點(diǎn)。
圖2 低通濾波器電路原理圖
差模電感首要要處理磁飽滿問題，在實(shí)際運(yùn)用過程中，廣闊電路工作者現(xiàn)已逐步認(rèn)識(shí)到了磁粉心的優(yōu)越性，運(yùn)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）已越來越少。如今用于濾波器中差模電感鐵心大多為有用磁導(dǎo)率為60～75的磁粉心，B500=1.34T，即在39788.5A/m（即500Oe）的磁場強(qiáng)度下，磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)1.34T。
圖3 磁芯u0隨頻率f的改變聯(lián)系
圖4是有用磁導(dǎo)率為75的鐵粉心的靜態(tài)磁滯回線，和鐵氧體資料對比，有高的Bs值，不易飽滿，因而體積最少可減小一半，選用賤賣的鐵粉作原料，并且不需要開口，沒有噪聲，本錢可大大下降，報(bào)價(jià)能夠和鐵氧體對比，以 27× 14×11的規(guī)格為例，它能夠承受400安匝而不飽滿，長處杰出。
圖4 μe=75鐵粉心得B-H曲線
可是值得商討的是，可挑選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)率隨頻率改變的曲線，可見它們磁導(dǎo)率隨頻率上升而下降的趨勢不相同。圖6是MICROMETARS公司－8（μe=35）和上海鋼研精細(xì)合金器材研究所SF－33（μe=37.5）鐵粉心資料的插入損耗曲線，可見吸收峰出如今不相同的頻率規(guī)模內(nèi)，因而除了思考電感量巨細(xì)，磁飽滿問題，報(bào)價(jià)等要素外，還應(yīng)該思考抑制噪聲的頻率規(guī)模，來挑選不相同型號(hào)的鐵粉心。
圖5 有用磁導(dǎo)率與頻率的聯(lián)系曲線
圖6 兩種鐵粉心的插入損耗曲線
3 有源PFC中的電感資料挑選
在功率放大的功率因數(shù)校對中根本上是選用升壓式改換電路，而升壓電感是串在輸入回路中，電感電流等于輸入電流，只需操控電感電流就能夠到達(dá)操控輸入電流。功率開關(guān)器材的切換速率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接連，當(dāng)功率器材開關(guān)切換脈沖占空比的改變遵從正弦規(guī)則時(shí)，即所謂正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）時(shí)電感中流過的電流為：
當(dāng)K=1時(shí)，
iL=Ipsinωot（3）
即iL與輸入電壓相同，都是正弦波，相位又相同，然后完成了DF=1，cosφ=1，到達(dá)功率因數(shù)校對的意圖。從圖7中可見，S的操控信號(hào)實(shí)際上受控于輸入電壓，注冊時(shí)由全波整流電路為L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)載供給能量，因而PFC中的電感是一個(gè)儲(chǔ)能電感并且電感量又有必要滿意的大，在50Hz基波電流上又疊加了高頻成份，對于該電感鐵心資料提出了適當(dāng)高的需求，即在強(qiáng)的基波電流效果下不飽滿又在高頻下有低的損耗。
圖7 根本升壓型有源功率因數(shù)校對電路
當(dāng)前扼流圈鐵心運(yùn)用的資料首要有兩類，一類是功率鐵氧體磁心加開氣隙，另一類是磁粉心。表1是它們的飽滿磁感應(yīng)強(qiáng)度（Bs）的對比，其間錳鋅軟磁鐵氧體Bs值最低，為0.5T，約為鐵粉心的一半擺布，因而在相同安匝數(shù)下和鐵粉心對比截面將添加1倍擺布，因而體積必然增大。
表1不相同資料的Bs值對比
別的因?yàn)榧娱_氣隙，在鐵氧體開氣隙處外表，構(gòu)成外表渦流，構(gòu)成鐵氧體磁心部分升溫，使鐵氧體磁心發(fā)熱，當(dāng)溫度超過鐵氧體居里點(diǎn)時(shí)，有用磁導(dǎo)率μe急劇下降為0，這也是功率鐵氧體磁心用作電感晦氣的一面，許多電源工作者對鐵氧體磁心在有源PFC線路中用作儲(chǔ)能電感鐵心持否定態(tài)度，能夠首要即是這個(gè)原因吧。
對于磁粉心在PFC電感中的運(yùn)用，已被許多電源工作者所認(rèn)可。當(dāng)前磁粉心資料大致有鐵粉心，Sendust粉心（FeSiAl），坡莫合金粉心（P.P.M），從損耗曲線上能夠看出，P.P.M（μe=60）及Sendust（μe=60）和鐵粉心（μe=35）對比，前二者約為后者的1/10～1/6，因而，鐵粉心能夠掃除，無法用作PFC電感資料，除非大大添加體積，下降工作B值。
國外文獻(xiàn)對于PFC電感資料通常都介紹坡莫合金系列，筆者認(rèn)為，2Mo80NiFe磁粉系列（μe=160，147，125，60等）有優(yōu)秀的功能，其頻率特性、電流特性，損耗特性均為當(dāng)前最高水平，并且系列化，有可挑選地步，可是報(bào)價(jià)對比貴重，在電源報(bào)價(jià)競爭劇烈的今日，許多運(yùn)用者無法承受，咱們向廣闊電源工作者引薦對比賤賣的FeSiAl粉心。
圖8 FeSiAl系列μe-f曲線
圖9 FeSiAl粉心μ/μ0-I曲線
圖10 損耗曲線（f=20kHz）
FeSiAl 資料很早就被發(fā)現(xiàn)有優(yōu)秀的磁功能（能夠和坡莫合金對比較），高μ值（μo=8×104～10×104），低損耗，Bs=1.1T，但因?yàn)槠浯嘈裕庸てD難，而沒有很多運(yùn)用。我所通過幾年的研制開發(fā)，構(gòu)成了系列的FeSiAl磁粉心產(chǎn)品，μe=90±5，55±5，35±5，當(dāng)前進(jìn)一步推向市場，圖8，9 是它們的μe－f曲線和電流特性曲線，能夠和2Mo80NiFe對比較，從圖10中所介紹的損耗曲線中能夠發(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中作電感資料。
4 結(jié)論
功率因數(shù)校對技能將得到越來越廣泛的運(yùn)用，廣闊電源工作者期望找到適宜的資料來滿意電路的需求。筆者本著這一意圖介紹有關(guān)電感資料的一些狀況及特性。介紹了鐵粉心在PFC中的運(yùn)用，提出了抑制噪聲頻段不相同，在差模中運(yùn)用可挑選不相同磁導(dǎo)率鐵粉心的觀念。依據(jù)有源PFC電感的特色，指出運(yùn)用磁粉心作為有源PFC電感鐵心優(yōu)于運(yùn)用功率鐵氧體開氣隙磁心，并介紹了FeSiAl資料的系列磁粉心，旨在添加廣闊電源工作者挑選地步，制造出體積更小、溫升更低、報(bào)價(jià)更廉的功率因數(shù)校對器。
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