如何选用电感材料校正开关电源中功率因数

开关电源(硬开关办法)如今现已实用化、商品化,其杰出的长处效率高,体积小,重量轻已被大家认可。可是负面效应决不可忽略,因为不可控整流办法网侧输入电流为非正弦周期电流,AC/DC改换器在投入运行时,将向电网写入很多的高次谐波,因而网侧的功率因数不高,仅有0.6摆布,并对电网和其它电气设备构成严峻谐波污染与搅扰。在三相四线制供电办法中,因为屡次谐波重量叠加,使中线电流增大,这是一个很棘手的问题。而如今计算机电源、UPS、程控交换机电源、电焊机电源、电子镇流器等早已高频开关化,其对电网的污染已到达有必要管理的程度,因而功率因数校对技能正在变成热门,并将变成商家进入市场的要害。
  从电工学原理讲,功率因数PF是指沟通输入有功功率P与视在功率S的比值。

  PF=P/S=UI1cosφ/UI2=DFcosφ(1)

  式中:I1—基波电流有用值;

  I2—电网电流有用值;

  U—电网电压有用值;

  φ—基波电流、电压的相位差;

  DF(distortionfactor)为电流失真因子。

  要使PF→1,有必要对输入电流严峻非正弦状况采纳相应的办法,使DF→1,一起还有必要使基波电流与电压相位差φ→0,才能使PF→1,所以功率因数校对实际上是对输入电流整形使其尽能够正弦化,一起改进电源体系的输入阻抗,使之尽量呈电阻性,使基波电流与电压同相位。这即是功率因数校对的根本思路。

  开关电源的功率因数校对器(PFC)可分为两类,一类为有源PFC,由电感电容及电子元器材构成;另一类为无源PFC,通常选用电感抵偿办法使沟通输入的基波电流与电压之间相位差减小来进步功率因数。在校对电路中有源PFC较多选用高频升压电路功率因数开关调节器,通常选用Boost电路,根本电路拓朴见图1。

  

图1 升压型Boost电路

  图中Li为储能电感,看起来并不杂乱的电路,可是怎么能够合理挑选元件及有关元件的资料是要害所在,这篇文章迁就PFC技能中的电感元件及资料展开评论。

  2 无源PFC中的电感资料挑选

  无源PFC是一个由电感、电容构成的低通滤波器,如图2所示是一种低通滤波器的电路原理图,其间L1是共模电感,L2,L3是差模电感。

  共模电感是彻底对称、线圈匝数相同的两个电感线圈,绕在同一个铁心上,电流同方向流经两组线圈后,依据右手螺旋规则,在电感铁心内发生两个方向相反的磁场,因为流经电流巨细,线圈匝数彻底相同,磁场强度强弱适当,因而彻底抵消,不存在磁饱满问题,首要是要思考电感铁心资料的初始磁导率μo,对于这类资料的μo越高越好,通常有高μo系列的铁氧体磁心,μo=4×103,6×103,8×103,1×104等类型,铁基超微晶资料μo≥5×104,坡莫合金系列如1J79,1J851系列,μo≥5×104。在挑选金属磁性资料时有必要留意频响问题(见图3)1J79或1J851系列的磁心μo随频率上升而下降的起伏对比大,越薄的资料,μo随频率下降的起伏对比小,设计时应留意这一点。

  

图2 低通滤波器电路原理图

  差模电感首要要处理磁饱满问题,在实际运用过程中,广阔电路工作者现已逐步认识到了磁粉心的优越性,运用铁心加气隙的作法(铁氧体磁心加气隙,非晶磁心加气隙,硅钢磁心加气隙)已越来越少。如今用于滤波器中差模电感铁心大多为有用磁导率为60~75的磁粉心,B500=1.34T,即在39788.5A/m(即500Oe)的磁场强度下,磁感应强度达1.34T。

  

图3 磁芯u0随频率f的改变联系

  图4是有用磁导率为75的铁粉心的静态磁滞回线,和铁氧体资料对比,有高的Bs值,不易饱满,因而体积最少可减小一半,选用贱卖的铁粉作原料,并且不需要开口,没有噪声,本钱可大大下降,报价能够和铁氧体对比,以 27× 14×11的规格为例,它能够承受400安匝而不饱满,长处杰出。

  

图4 μe=75铁粉心得B-H曲线

  可是值得商讨的是,可挑选作为滤波器的差模电感的磁粉心不仅仅是μe=75铁粉心一种,图5是铁粉心系列μe=75,μe=55,μe=35磁导率随频率改变的曲线,可见它们磁导率随频率上升而下降的趋势不相同。图6是MICROMETARS公司-8(μe=35)和上海钢研精细合金器材研究所SF-33(μe=37.5)铁粉心资料的插入损耗曲线,可见吸收峰出如今不相同的频率规模内,因而除了思考电感量巨细,磁饱满问题,报价等要素外,还应该思考抑制噪声的频率规模,来挑选不相同型号的铁粉心。

  

图5 有用磁导率与频率的联系曲线

  

图6 两种铁粉心的插入损耗曲线

  3 有源PFC中的电感资料挑选

  在功率放大的功率因数校对中根本上是选用升压式改换电路,而升压电感是串在输入回路中,电感电流等于输入电流,只需操控电感电流就能够到达操控输入电流。功率开关器材的切换速率ωS远大于工频ωo(ωS=Kωo,K 1);L值大得足以使电感中的电流接连,当功率器材开关切换脉冲占空比的改变遵从正弦规则时,即所谓正弦波脉宽调制(SPWM)时电感中流过的电流为:

 

  当K=1时,

  iL=Ipsinωot(3)

  即iL与输入电压相同,都是正弦波,相位又相同,然后完成了DF=1,cosφ=1,到达功率因数校对的意图。从图7中可见,S的操控信号实际上受控于输入电压,注册时由全波整流电路为L充电,关断后L上的电压与输入电压叠加为电容C和负载供给能量,因而PFC中的电感是一个储能电感并且电感量又有必要满意的大,在50Hz基波电流上又叠加了高频成份,对于该电感铁心资料提出了适当高的需求,即在强的基波电流效果下不饱满又在高频下有低的损耗。

  

图7 根本升压型有源功率因数校对电路

  当前扼流圈铁心运用的资料首要有两类,一类是功率铁氧体磁心加开气隙,另一类是磁粉心。表1是它们的饱满磁感应强度(Bs)的对比,其间锰锌软磁铁氧体Bs值最低,为0.5T,约为铁粉心的一半摆布,因而在相同安匝数下和铁粉心对比截面将添加1倍摆布,因而体积必然增大。

  表1不相同资料的Bs值对比

  

  别的因为加开气隙,在铁氧体开气隙处外表,构成外表涡流,构成铁氧体磁心部分升温,使铁氧体磁心发热,当温度超过铁氧体居里点时,有用磁导率μe急剧下降为0,这也是功率铁氧体磁心用作电感晦气的一面,许多电源工作者对铁氧体磁心在有源PFC线路中用作储能电感铁心持否定态度,能够首要即是这个原因吧。

  对于磁粉心在PFC电感中的运用,已被许多电源工作者所认可。当前磁粉心资料大致有铁粉心,Sendust粉心(FeSiAl),坡莫合金粉心(P.P.M),从损耗曲线上能够看出,P.P.M(μe=60)及Sendust(μe=60)和铁粉心(μe=35)对比,前二者约为后者的1/10~1/6,因而,铁粉心能够扫除,无法用作PFC电感资料,除非大大添加体积,下降工作B值。

  国外文献对于PFC电感资料通常都介绍坡莫合金系列,笔者认为,2Mo80NiFe磁粉系列(μe=160,147,125,60等)有优秀的功能,其频率特性、电流特性,损耗特性均为当前最高水平,并且系列化,有可挑选地步,可是报价对比贵重,在电源报价竞争剧烈的今日,许多运用者无法承受,咱们向广阔电源工作者引荐对比贱卖的FeSiAl粉心。

  

图8 FeSiAl系列μe-f曲线

  

图9 FeSiAl粉心μ/μ0-I曲线

  

图10 损耗曲线(f=20kHz)

  FeSiAl 资料很早就被发现有优秀的磁功能(能够和坡莫合金对比较),高μ值(μo=8×104~10×104),低损耗,Bs=1.1T,但因为其脆性,加工艰难,而没有很多运用。我所通过几年的研制开发,构成了系列的FeSiAl磁粉心产品,μe=90±5,55±5,35±5,当前进一步推向市场,图8,9 是它们的μe-f曲线和电流特性曲线,能够和2Mo80NiFe对比较,从图10中所介绍的损耗曲线中能够发现,它的损耗高于坡莫合金磁粉心,但远低于铁粉心,可用在PFC中作电感资料。

  4 结论

  功率因数校对技能将得到越来越广泛的运用,广阔电源工作者期望找到适宜的资料来满意电路的需求。笔者本着这一意图介绍有关电感资料的一些状况及特性。介绍了铁粉心在PFC中的运用,提出了抑制噪声频段不相同,在差模中运用可挑选不相同磁导率铁粉心的观念。依据有源PFC电感的特色,指出运用磁粉心作为有源PFC电感铁心优于运用功率铁氧体开气隙磁心,并介绍了FeSiAl资料的系列磁粉心,旨在添加广阔电源工作者挑选地步,制造出体积更小、温升更低、报价更廉的功率因数校对器。 

 

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