功率因數校正如何選用電感材料

1 引言

開(kāi)關(guān)電源（硬開(kāi)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，重量輕已被人們認可。但是負面效應決不可忽視，由于不可控整流方式網(wǎng)側輸入電流為非正弦周期電流，AC/DC變換器在投入運行時(shí)，將向電網(wǎng)注入大量的高次諧波，因此網(wǎng)側的功率因數不高，僅有0.6左右，并對電網(wǎng)和其它電氣設備造成嚴重諧波污染與干擾。在三相四線(xiàn)制供電方式中，由于多次諧波分量疊加，使中線(xiàn)電流增大，這是一個(gè)很棘手的問(wèn)題。而如今計算機電源、UPS、程控交換機電源、電焊機電源、電子鎮流器等早已高頻開(kāi)關(guān)化，其對電網(wǎng)的污染已達到必須治理的程度，因此功率因數校正技術(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，必須對輸入電流嚴重非正弦情況采取相應的措施，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，所以功率因數校正實(shí)際上是對輸入電流整形使其盡可能正弦化，同時(shí)改善電源系統的輸入阻抗，使之盡量呈電阻性，使基波電流與電壓同相位。這就是功率因數校正的基本思路。

開(kāi)關(guān)電源的功率因數校正器（PFC）可分為兩類(lèi)，一類(lèi)為有源PFC，由電感電容及電子元器件組成；另一類(lèi)為無(wú)源PFC，一般采用電感補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。在校正電路中有源PFC較多采用高頻升壓電路功率因數開(kāi)關(guān)調節器，通常采用Boost電路，基本電路拓樸見(jiàn)圖1。

圖中Li為儲能電感，看起來(lái)并不復雜的電路，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(kāi)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。

共模電感是完全對稱(chēng)、線(xiàn)圈匝數相同的兩個(gè)電感線(xiàn)圈，繞在同一個(gè)鐵心上，電流同方向流經(jīng)兩組線(xiàn)圈后，根據右手螺旋法則，在電感鐵心內產(chǎn)生兩個(gè)方向相反的磁場(chǎng)，由于流經(jīng)電流大小，線(xiàn)圈匝數完全相同，磁場(chǎng)強度強弱相當，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率μo，對于這類(lèi)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(lèi)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(jiàn)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，設計時(shí)應注意這一點(diǎn)。

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)逐步認識到了磁粉心的優(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?，F在用于濾波器中差模電感鐵心大多為有效磁導率為60～75的磁粉心，B500=1.34T，即在39788.5A/m(即500Oe)的磁場(chǎng)強度下，磁感應強度達1.34T。

圖4是有效磁導率為75的鐵粉心的靜態(tài)磁滯回線(xiàn)，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(kāi)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的規格為例，它可以承受400安匝而不飽和，優(yōu)點(diǎn)突出。

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磁導率隨頻率變化的曲線(xiàn)，可見(jiàn)它們磁導率隨頻率上升而下降的趨勢不同。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(xiàn)，可見(jiàn)吸收峰出現在不同的頻率范圍內，因此除了考慮電感量大小，磁飽和問(wèn)題，價(jià)格等因素外，還應該考慮抑制噪聲的頻率范圍，來(lái)選擇不同型號的鐵粉心。

3 有源PFC中的電感材料選擇

在功率放大的功率因數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到控制輸入電流。功率開(kāi)關(guān)器件的切換速率ωS遠大于工頻ωo（ωS=Kωo，K　1）；L值大得足以使電感中的電流連續，當功率器件開(kāi)關(guān)切換脈沖占空比的變化遵循正弦規律時(shí)，即所謂正弦波脈寬調制（SPWM）時(shí)電感中流過(guò)的電流為：

當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)現了DF=1，cosφ=1，達到功率因數校正的目的。從圖7中可見(jiàn)，S的控制信號實(shí)際上受控于輸入電壓，開(kāi)通時(shí)由全波整流電路為L(cháng)充電，關(guān)斷后L上的電壓與輸入電壓疊加為電容C和負載提供能量，因此PFC中的電感是一個(gè)儲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，對于該電感鐵心材料提出了相當高的要求，即在強的基波電流作用下不飽和又在高頻下有低的損耗。

目前扼流圈鐵心使用的材料主要有兩類(lèi)，一類(lèi)是功率鐵氧體磁心加開(kāi)氣隙，另一類(lèi)是磁粉心。表1是它們的飽和磁感應強度（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，因此在同樣安匝數下和鐵粉心相比截面將增加1倍左右，因而體積勢必增大。

表1不同材料的Bs值比較

另外由于加開(kāi)氣隙，在鐵氧體開(kāi)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，當溫度超過(guò)鐵氧體居里點(diǎn)時(shí)，有效磁導率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，許多電源工作者對鐵氧體磁心在有源PFC線(xiàn)路中用作儲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電感中的應用，已被很多電源工作者所認可。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(xiàn)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。

國外文獻對于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)格競爭激烈的今天，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。

FeSiAl 材料很早就被發(fā)現有優(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(kāi)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(xiàn)和電流特性曲線(xiàn)，可以和2Mo80NiFe相比擬，從圖10中所介紹的損耗曲線(xiàn)中可以發(fā)現，它的損耗高于坡莫合金磁粉心，但遠低于鐵粉心，可用在PFC中作電感材料。

4 結論

功率因數校正技術(shù)將得到越來(lái)越廣泛的應用，廣大電源工作者希望找到合適的材料來(lái)滿(mǎn)足電路的要求。筆者本著(zhù)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中的應用，提出了抑制噪聲頻段不同，在差模中應用可選擇不同磁導率鐵粉心的觀(guān)點(diǎn)。根據有源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(kāi)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)格更廉的功率因數校正器。