逆變電源于濾波電感器

1、BJDEEN 01051645720/1 BJDEEN263.NET 更多資料BJDEEN.BLOG.DIANYUAN.COM 金屬磁粉心設(shè)計(jì)電感器雜記一 金屬磁粉心市場(chǎng)增長(zhǎng)的動(dòng)力之源 金屬磁粉心的市場(chǎng)來(lái)自對(duì)鐵氧體市場(chǎng)的掠奪，而這種掠奪主要來(lái)自三方面的因素：一是金屬磁粉心產(chǎn)品在設(shè)計(jì)和制作電感器產(chǎn)品方面具有的性能優(yōu)勢(shì)；另一方面是整個(gè)世界對(duì)電子產(chǎn)品的EMI和EMC的強(qiáng)制認(rèn)證要求；三是金屬磁粉心技術(shù)和工藝的發(fā)展，新材料不斷涌現(xiàn)，高頻損耗特性越來(lái)越小，以及新的金屬磁粉心磁集成技術(shù)，滿足現(xiàn)在低壓大流高功率密度需求，另外制作成電感器的相對(duì)成本不斷下降。1、金屬磁粉心的特性（與鐵氧體對(duì)比）（內(nèi)因）a 閉和磁

2、路（鐵氧體要開(kāi)氣隙，有EMI），對(duì)外界幾乎無(wú)EMI干擾見(jiàn)圖1；b 由于金屬磁粉心內(nèi)部天然分布?xì)庀?，避免了像鐵氧體要開(kāi)氣隙造成的局部損耗過(guò)高，造成熱點(diǎn)溫度，嚴(yán)重影響電感器繞組的壽命圖1；b 具有鐵氧體2倍的高Bs，制作成電感器具有很高的功率密度，體積可比鐵氧體減少近1/3，尤其是做成一體式SMD電感器見(jiàn)圖2；c 金屬磁粉心的直流偏磁特性既直流偏磁場(chǎng)和磁導(dǎo)率（或電感系數(shù)）的變化是容易得到，且成平滑規(guī)律曲線狀，電感器的飽和過(guò)程是軟飽和見(jiàn)圖3，按曲線設(shè)計(jì)成的電感器的實(shí)際效果和實(shí)際工作動(dòng)態(tài)基本相一致；d 金屬磁粉心具有很好的抗外界應(yīng)力特性，使其具有更高的可靠性：由于是粉末冶金工藝，使材料更具有韌性，抗機(jī)

3、械沖擊能力強(qiáng)于其他軟磁材料；金屬磁粉心有更寬的工作溫度范圍（55-200），很低的溫度系數(shù)，一般小于300 ppm； 圖1 金屬磁粉心與鐵氧體比較 圖2 金屬磁粉心SMD電感器 圖3 直流偏磁特性對(duì)比2、EMI和EMC強(qiáng)制認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)牽引金屬磁粉心市場(chǎng)增長(zhǎng)（外因）2.1、有源功率因數(shù)校正技術(shù)牽引金屬磁粉心市場(chǎng)a、電網(wǎng)諧波問(wèn)題及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的提出 隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，電力系統(tǒng)的非線性負(fù)荷日益增多。如各種換流設(shè)備、變頻裝置、電弧爐、電氣化鐵道等非線性負(fù)荷遍及全系統(tǒng)，而程控交換機(jī)、電視機(jī)、高頻逆變焊機(jī)、電子鎮(zhèn)流器等信息設(shè)備、辦公自動(dòng)化設(shè)備和家用電器的使用越來(lái)越廣泛。這些非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流注入到電網(wǎng)

4、，使公用電網(wǎng)的電壓波形產(chǎn)生畸變，嚴(yán)重地污染了電網(wǎng)的環(huán)境，威脅著電網(wǎng)中各種電氣設(shè)備的安全運(yùn)行。其危害概括起來(lái)有以下幾個(gè)方面： 可能使電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置產(chǎn)生誤動(dòng)或拒動(dòng)，直接危及電網(wǎng)的安全運(yùn)行。 使交流供電設(shè)備(如交流發(fā)電機(jī)、UPS等)輸出功率的利用率降低，并使輸電線上的損耗增大，造成了緊缺資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。 使三相四線制電網(wǎng)中的三次及其倍數(shù)次諧波在中線同相位，導(dǎo)致合成后中線電流很大，甚至可能超過(guò)相電流。但由于安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中線無(wú)保護(hù)裝置，因此可能過(guò)熱起火發(fā)生安全事故。 使各種電氣設(shè)備產(chǎn)生附加損耗和發(fā)熱、使電機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)和噪聲。 電網(wǎng)中諧波通過(guò)電磁感應(yīng)、電容耦合、以及電氣傳導(dǎo)等方式，對(duì)周圍的

5、通訊系統(tǒng)產(chǎn)生干擾、降低信號(hào)的傳輸質(zhì)量，破壞信號(hào)的正常傳遞，甚至損壞通訊設(shè)備。 諧波使電網(wǎng)中廣泛使用的各種儀表，如電壓表、電流表、有功及無(wú)功功率表、功率因數(shù)表、電度表等產(chǎn)生誤差。為消除此類誤差，會(huì)大大增加制造成本。 增加了電網(wǎng)中發(fā)生諧波諧振的可能性，造成很高的過(guò)電壓或過(guò)電流，從而引起安全事故。 由于電網(wǎng)諧波的諸多危害，國(guó)際社會(huì)已于上世紀(jì)八十年代和九十年代初制定了一些與此相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，以期盡量消除或降低其危害，如IEC1000-3-2、IEEE-519、IEC555-2、EN60555-2、MIL-STD-1399、Bellcore001089等。我國(guó)也為此于上世紀(jì)八十年代研究對(duì)策，做了很多準(zhǔn)備工作

6、，并于1993年正式頒布了GB/T14549-93電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)，1998年又制定了GB17625.1-1998標(biāo)準(zhǔn)。 在歐洲，從1992年開(kāi)始對(duì)300W以上設(shè)備強(qiáng)制實(shí)行IEC555-2標(biāo)準(zhǔn)，并于1994年對(duì)300W以下設(shè)備也作出同樣要求。在美國(guó)，早就對(duì)700W以上設(shè)備產(chǎn)生的諧波作出了限制。國(guó)際電工委員會(huì)于1998年對(duì)諧波標(biāo)準(zhǔn)IEC5552進(jìn)行修訂，另外還制定了IEC61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定嚴(yán)格的諧波要求。而在我國(guó)，但隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的加速推進(jìn)，及綠色電子產(chǎn)品的發(fā)展，2003正式提出強(qiáng)制性“3C認(rèn)證”，3C認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中包括有一項(xiàng)新增加的PFC（諧波電流限制）電路考核指標(biāo)，它是專門針

7、對(duì)諧波電流問(wèn)題而制定的。我國(guó)“3C認(rèn)證”中規(guī)定75W以上電源必須有PFC（功率因數(shù)校正），功率因數(shù)校正電路中核心器件是電感器，電感器最好的材料是金屬磁粉心。b、電網(wǎng)諧波抑制與有源功率因數(shù)校正電路APFC公用電網(wǎng)諧波和基波無(wú)功功率的存在，最終均可歸因于電網(wǎng)負(fù)荷的功率因數(shù)PF小于1并用其來(lái)表征。這里的PF包括相移因數(shù)和畸變因數(shù)(或稱畸變系數(shù)、失真因數(shù))。為了消除諧波和基波無(wú)功功率，應(yīng)進(jìn)行功率因數(shù)校正(PFC)，以提高負(fù)荷的功率因數(shù)，使其盡量接近于1，即等效于純電阻負(fù)載。 傳統(tǒng)的功率因數(shù)校正采用的是被動(dòng)的無(wú)源校正網(wǎng)絡(luò)，主要針對(duì)線性負(fù)荷如感性或容性負(fù)荷，以改善相移功率因數(shù)，降低無(wú)功功率。但其尺寸、重量

8、大，難以得到高功率因數(shù)，且其工作性能與頻率、負(fù)載變化及輸入電壓變化有關(guān)，因此對(duì)電網(wǎng)的適應(yīng)性也較差。同時(shí)由于電網(wǎng)中存在高次諧波，也使這種無(wú)源PFC難以發(fā)揮更大的作用。另有一種被動(dòng)的有源校正網(wǎng)絡(luò)叫有源電力濾波器(APF)，它是一種動(dòng)態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無(wú)功功率的電力電子裝置，能對(duì)頻率和幅度都變化的諧波進(jìn)行很好的補(bǔ)償，對(duì)電網(wǎng)的適應(yīng)性強(qiáng)，但其控制復(fù)雜、造價(jià)高昂。目前主要思路是將APF和無(wú)源校正網(wǎng)絡(luò)混合使用，以圖降低APF容量和整個(gè)校正網(wǎng)絡(luò)的造價(jià)。這種網(wǎng)絡(luò)主要用于大功率負(fù)荷。 隨著信息技術(shù)和電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，諸如通訊設(shè)備、計(jì)算機(jī)、電子鎮(zhèn)流器和家用電器等使用開(kāi)關(guān)電源的非線性負(fù)荷大量投入使用。它們通常采用

9、的是橋式整流+電解電容濾波方式，其PF值約為0.550.65。有鑒于此，一種新型的主動(dòng)性有源校正網(wǎng)絡(luò)，即有源功率因數(shù)校正(APFC)技術(shù)得到人們的普遍重視。該技術(shù)是在負(fù)載的整流電路和濾波電容之間增加一個(gè)功率變換電路，將輸入電流強(qiáng)制校正成與輸入電壓同相位的正弦波，使功率因數(shù)提高到近似為1.0，而且具有穩(wěn)定的輸出電壓，從而消除諧波和無(wú)功功率并降低了其后接變換器的設(shè)計(jì)難度和成本。這種方法不僅校正效果好，而且效率高、體積小、重量輕、成本低、適應(yīng)性強(qiáng)，已被國(guó)外大多廠商用于其實(shí)際產(chǎn)品中，國(guó)內(nèi)也有很多有實(shí)力的廠商對(duì)其進(jìn)行研究和應(yīng)用。 由于歐美國(guó)家對(duì)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制執(zhí)行，促使國(guó)際學(xué)術(shù)界對(duì)APFC技術(shù)進(jìn)行積極探討

10、，并取得了很多令人矚目的成果。特別是開(kāi)發(fā)出適用于各種需要的眾多型號(hào)的控制用專用集成電路，使APFC產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)擺脫了早期采用分立元件造成的開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、線路復(fù)雜、可靠性低且效果并不盡如人意的弊端，使APFC產(chǎn)品迅速得以推廣應(yīng)用，取得了可觀的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。 目前，在學(xué)術(shù)界和實(shí)際工程應(yīng)用中，人們對(duì)具體的實(shí)現(xiàn)APFC的具體電路拓?fù)浠疽呀?jīng)形成共識(shí)，即采用BOOST電路見(jiàn)圖4。BOOST電路的核心器件是電感器，從性能上來(lái)說(shuō)，根據(jù)不同頻率選用Fe粉心、FeSiAl、FeNi50、FeNiMo、甚至新材料FeSi材料等金屬磁粉心是最合適的，功率密度最高，不產(chǎn)生氣隙EMI。具體APFC技術(shù)和電路信息見(jiàn)附件

11、1。 圖4 APFC電路二 逆變電源（UPS，EPS）與APFC電路及濾波電路逆變電源應(yīng)用非常廣泛，無(wú)論是離線式（市電正常時(shí)，直接市電供電）還是在線式（市電正常時(shí)，作為穩(wěn)壓器使用）都要應(yīng)用到APFC電路，BOOST電路中就要使用金屬磁粉心電感器，尤其是1000W以上的產(chǎn)品中，一般都使用金屬磁粉心制作電感器，由于使用頻率多在50kHz-150kHz，因此多使用FeSiAL金屬磁粉心。 圖8 離線式逆變電源電路 圖9 在線式逆變電源電路 圖10 逆變電源中的典型充電電路另外因?yàn)樵贒C-AC逆變時(shí)采用載波為幾kHz到幾十kHz的鋸齒波的SPWM方式，會(huì)在輸出端產(chǎn)生高次諧波干擾。因此在輸出端需要加LC

12、濾波器，其中L在原來(lái)載波頻率低于10kHz時(shí)主要用鐵粉心的-33材料，但是由于現(xiàn)在載波頻率逐漸提高到20kHz甚至40kHz或更高（大功率使用IGBT開(kāi)關(guān)），不能再使用鐵粉心的-33材料。目前一般采用低磁導(dǎo)率的FeSiAL 的磁導(dǎo)率26材料或者使用FeSi材料（看FeSi特性完全可以使用在頻率100kHz左右，價(jià)格比鐵硅鋁便宜很多）。我建議大力推廣FeSi材料。三相逆變電源后邊可以使用FeSi材料作成的方塊型產(chǎn)品制作成三相逆變?yōu)V波電抗器如圖11。功率達(dá)到幾時(shí)千瓦甚至上百千瓦的只能采用方塊型結(jié)構(gòu)。圖11 三相逆變（變頻）輸出濾波電感器c 變頻器變頻器現(xiàn)在應(yīng)用非常廣泛，尤其在家用電器上，如冰箱、洗

13、衣機(jī)、空調(diào)。大多變頻器產(chǎn)品都使用采用載波為幾kHz到幾十kHz的鋸齒波的SPWM方式，其實(shí)在變頻器的后端像逆變電源一樣也需要LC濾波器。因此在輸出端需要加LC濾波器，其中L在原來(lái)載波頻率低于10kHz時(shí)主要用鐵粉心的-33材料，但是由于現(xiàn)在載波頻率逐漸提高到20kHz甚至40kHz或更高（大功率使用IGBT開(kāi)關(guān)），不能再使用鐵粉心的-33材料。目前一般采用低磁導(dǎo)率的FeSiAL 的磁導(dǎo)率26材料或者使用FeSi材料（看FeSi特性完全可以使用在頻率100kHz左右，價(jià)格比鐵硅鋁便宜很多）。三相逆變電源后邊可以使用FeSi材料作成的方塊型產(chǎn)品作成三相逆變?yōu)V波電抗器如圖11。d、電力有源功率因數(shù)補(bǔ)

14、償技術(shù)各個(gè)國(guó)家除了要求各類電子設(shè)備中提出了功率因數(shù)要求，也著手從用電網(wǎng)入手采用功率補(bǔ)償技術(shù)，原來(lái)大多采用無(wú)功補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)。但是無(wú)功補(bǔ)償，器件體積大，功率因數(shù)低，目前正開(kāi)始普及有源功率因數(shù)補(bǔ)償技術(shù)，功率因數(shù)高，體積小，成本正逐漸降低。目前電力有源功率因數(shù)補(bǔ)償技術(shù)，也是采用APFC技術(shù)和無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)較多。在APFC部分，使用大功率IGBT開(kāi)關(guān)管，開(kāi)關(guān)頻率在20kHz-100kHz，功率越到使用頻率越低。這種技術(shù)一般要求一個(gè)工廠，一個(gè)小區(qū)，或者某種公用電網(wǎng)部分進(jìn)行功率因數(shù)補(bǔ)償，如城市路燈照明?，F(xiàn)在國(guó)家正在對(duì)城市照明設(shè)施，城市公共其他用電設(shè)施進(jìn)行節(jié)電改造。在這種大功率有源功率因數(shù)校正電路中，根據(jù)頻率可以

15、使用鐵粉心-33材料的大環(huán)型產(chǎn)品，最好的方式是使用U型產(chǎn)品（便于繞制大電流繞組，這種電流一般從30A-500A），也可以使用方塊型產(chǎn)品如FeSi型產(chǎn)品（頻率高時(shí)必須使用FeSi產(chǎn)品）。典型電路圖見(jiàn)圖12。諧波電流補(bǔ)償器HCC是一個(gè)電流源，與負(fù)載同時(shí)并聯(lián)在電網(wǎng)上，控制三相橋的開(kāi)關(guān)器件使其輸出的諧波電流跟蹤指令電流，補(bǔ)償負(fù)載的諧波電流，使電網(wǎng)電源電流正弦化。諧波電壓補(bǔ)償器HVC是一個(gè)電壓源，它串聯(lián)在電路中，控制三相橋開(kāi)關(guān)器件使其輸出的諧波電壓跟蹤補(bǔ)償電網(wǎng)的諧波電壓，經(jīng)諧波電壓補(bǔ)償后，電網(wǎng)中其他負(fù)載端點(diǎn)電壓無(wú)諧波，電源電流也隨之正弦化。 圖12 電力有源功率因數(shù)補(bǔ)償技術(shù)電路e 太陽(yáng)光伏并網(wǎng)發(fā)電站 太

16、陽(yáng)光伏產(chǎn)業(yè)是蓬勃發(fā)展的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，發(fā)展迅猛，2007年僅僅上海市光伏產(chǎn)業(yè)就達(dá)到100億元。到本實(shí)際末應(yīng)該成為世界上主要的發(fā)電模式。下圖是一種典型太陽(yáng)光伏發(fā)電站電路，其中前端是一個(gè)BOOST升壓電路，后端是LC逆變?yōu)V波電路。BOOST電路根據(jù)適用頻率可以選用FeSi金屬磁粉心或者FeSiAl金屬磁粉心作成的電感器；后端LC濾波電路中的電感器根據(jù)適用頻率選用-33鐵粉心、FeSi、低磁導(dǎo)率FeSiAL金屬磁粉心作成電感器（載波頻率小于20kHz，用-33，載波頻率大于20kHz其他兩種材料，由于主頻是50Hz，所以不能使用鐵氧體）。 圖13 使用SPWM載波技術(shù)的典型太陽(yáng)光伏并網(wǎng)發(fā)電站f AC-DC

17、開(kāi)關(guān)電源中的APFC和EMI電路及輸出濾波電感器開(kāi)關(guān)電源已經(jīng)相繼進(jìn)入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域，程控交換機(jī)、通訊、電子檢測(cè)設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使用了開(kāi)關(guān)電源。市場(chǎng)研究公司Frost & Sullivan表示，2006年全球開(kāi)關(guān)電源(Switch Mode Power Supplies, SMPS)市場(chǎng)總心入達(dá)到120億美元，這一數(shù)字在2009年可望攀升至156.4億美元。根據(jù)我的經(jīng)驗(yàn)，其中電源中使用的電感器、變壓器成本一般占整個(gè)電源銷售收入的10%左右，也就是說(shuō)到2009年在電源中使用的電感器和變壓器產(chǎn)品的銷售收入應(yīng)

18、該在16億美元左右。在這些電感器變壓器產(chǎn)品中，使用金屬磁粉心制作成的電感器約占電感器和變壓器銷售總數(shù)的3/5，也就是10億美元左右。 圖14 DPA（分布式電源構(gòu)架）電源電路 圖15 每個(gè)電源都要有的EMI電源濾器的典型電路隨著各種EMI和EMC的強(qiáng)制認(rèn)證對(duì)傳導(dǎo)干擾和發(fā)射干擾的要求，幾乎在所有的AC-DC電源產(chǎn)品的最前端甚至一些AC-DC電源的輸出端加上EMI濾波器圖13。在電源濾波器電路中，使用最多的就是制作差模電感器的-26材料鐵粉心磁環(huán)（這種材料很難替代），和高導(dǎo)磁率鐵氧體材料作成的共模電感器。在AC-DC電源中的APFC電感器，使用FeSiAL材料作為磁心材料已經(jīng)成為電源工程師的習(xí)慣，

19、特別是磁導(dǎo)率125的FeSiAl材料。當(dāng)然功率越大，選用的材料的磁導(dǎo)率越底，這也是為什么需要磁導(dǎo)率26的鐵硅鋁材料。在AC-DC電源的輸出濾波中，現(xiàn)在越來(lái)越多的工程師已經(jīng)了解金屬磁粉心的優(yōu)點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，再加上銅線價(jià)格的非常以及EMI的要求，使得金屬磁粉心特別是FeSiAl材料成為首先的電感器材料。但是目前AC-DC開(kāi)關(guān)電源特別是高功率開(kāi)關(guān)電源，開(kāi)關(guān)頻率基本都在100kHz左右，在目前FeSiAl市場(chǎng)價(jià)格戰(zhàn)的基礎(chǔ)上，可以考慮使用FeSi材料低成本代換。三 金屬磁粉心技術(shù)進(jìn)步帶動(dòng)磁粉心市場(chǎng)的發(fā)展 各種新材料逐漸發(fā)展壯大，高性價(jià)格比的FeSiAl材料，填補(bǔ)Fe粉與FeSiAL之間的低損耗無(wú)熱老化Fe

20、S材料，正在加大研發(fā)不久會(huì)批量應(yīng)用的非晶壓粉磁心，也許將于不同檔次和相對(duì)較低的成本，逐漸代替各種Fe粉心和合金金屬磁粉心?？傊畵p耗越來(lái)越低，應(yīng)用頻率越來(lái)越高，高的Bs值，方便的設(shè)計(jì)催成了從本世紀(jì)際初金屬磁粉心更廣泛的應(yīng)用。金屬磁粉心從單一的環(huán)型到棒型、E型、U型、方條型、EQ型等新形狀的開(kāi)發(fā)，降低了電感器加工成本，也催進(jìn)了金屬磁粉心產(chǎn)品的應(yīng)用，也拓展了金屬磁粉心的應(yīng)用領(lǐng)域。一次壓成的高功率密度金屬磁粉心電感器，以高電流承載能力，優(yōu)良的電感動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，表貼的封裝形式，正好符合現(xiàn)在超大規(guī)模集成電路、CPU等電子設(shè)備對(duì)電源產(chǎn)品的高功率密度，低電壓（電壓已經(jīng)向低于1V發(fā)展），大電流（電流從幾十A到上百A），高頻化的趨勢(shì)。目前電源界研制的POL負(fù)載點(diǎn)電源，VTM電壓調(diào)整器、向微處理器供電的穩(wěn)壓模塊（VRM），電流大于10A的產(chǎn)品，一般都選用金屬磁粉心一體式SMD電感器。逆變電源的功率越大需要的LC濾波的電感器功率越大，目前使用方塊型金屬