APFC電感采用磁粉心的設(shè)計

APFC電感采用磁粉心的設(shè)計摘要：磁粉心具有較高的飽和磁通密度和較好的直流偏磁動態(tài)線性。用來制作 APFC電感，只要恰當(dāng)選擇磁心尺寸和線圈匝數(shù)就能取得降低磁心損耗的效果。磁粉心的飽和磁通密度高達(dá) 10T（10000GS）左右，在強(qiáng)磁場條件下，即工作在大電流時，磁心不易飽和。制作 APFC電感，不用開氣隙，不會對電路產(chǎn)生電磁干擾（EMI）。而且由于其直流偏磁動態(tài)線性相當(dāng)好，通過設(shè)計計算可以精確地控制在額定電流時的電感值。恰當(dāng)選擇磁心尺寸和線圈匝數(shù)，還能得到滿意的磁心損耗的結(jié)果。常見的磁粉心有鉬坡莫合金磁粉心（ MPP）、高磁通磁粉心（HF）、鐵硅鋁磁粉心（MS）和鐵粉磁心（IP）。前兩種，國內(nèi)習(xí)慣上稱為鐵鎳鉬磁粉心和鐵鎳磁粉心。它們的磁心損耗數(shù)據(jù)見表1。前3種為美國阿諾集團(tuán)（ARNOLD）產(chǎn)品，后1種為臺灣產(chǎn)品。從表1可以明顯看出MPP磁心損耗最低，鐵粉心損耗最高，其它兩種居中。某種條件下，MS磁心損耗略低于HF磁心，接近MPP磁心。MPP磁心價格比較貴，損耗低與成本高之間有矛盾，在要求溫升必須很低時，不

得不采用這種較貴的磁心。對于要求不是特別嚴(yán)格的場合， 完全可以經(jīng)過精心設(shè)計，采用其它磁心，甚至采用損耗高的鐵粉心，也能得到滿意的結(jié)果。1對電感設(shè)計有關(guān)參數(shù)的剖析對于設(shè)計與制作APFC電感，主要要求其溫升低（即損耗要?。?，另外偏磁影響小，能有效控制電感值在額定電流時不低于臨界電感值。為了設(shè)計出性能價格比滿意的 APFC電感，有必要對電感設(shè)計的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行充分的剖析。有些參數(shù)是與磁心規(guī)格尺寸有關(guān)的如： AL，Ae，le，Ve，Wt，l/N，SA，Wa等。由le派生出H/NI,它等于0.4n/le,可稱它為磁場強(qiáng)度系數(shù)。磁心大， le就大，此值就小。乘上NI就是磁場強(qiáng)度值H。另外，亦可稱它為飽和系數(shù)，此值小，就不易飽和。在相同NI時，大磁心就比小磁心不容易飽和。還有一個參數(shù)：線圈匝數(shù) N。匝數(shù)多電感值就大。l/N為每匝導(dǎo)線平均長度，單位為cm。SA為線圈表面積。AL為電感系數(shù)，單位為nH/N2或卩H/N2。電感系數(shù)同有效磁導(dǎo)率之間有這樣的關(guān)系： AL=ue?4n?Ae/le電感系數(shù)與匝數(shù)和電感量之間的關(guān)系為： L=N2-AL/控制磁心飽和比較簡單，就是選用尺寸大的磁心；采用磁導(dǎo)率低的材料。從圖1-圖4可以看出，低磁導(dǎo)率的曲線，隨磁場強(qiáng)度增大而下降的趨勢，比較平穩(wěn)緩慢 （注：原稿縱坐標(biāo)稱百分磁導(dǎo)率”，這里用相對磁導(dǎo)率yr表示）。表1磁粉心磁心損耗（單位： mW/cm3）牌號f=50kHzf=100kHzB/10-4T225450675 140280420MPP60卩14521111659127125y114610614581320.2938f1.708(kHz)B2.028(kGs)HF60y157117414671641.586f1.423(kHz)B2.209(kGs)125y32131299331373132.207f1.459(kHz)B2.034(kGs)MS18691512077168f1.477(kHz)B1.935(kGs)IP-5262300705542646209.07X10-10f1.26(Hz)B2.11(Gs)bVD.796Acm圖3SUPPER—MSS相對磁導(dǎo)率（卩0—直流磁場強(qiáng)度（H）特性曲線10圖4相對初始磁導(dǎo)率(r—直流磁場強(qiáng)度(h)關(guān)系曲線同磁心損耗有關(guān)的參數(shù)比較多， 給我們提供了調(diào)整余地。有兩個公式：Pcore=kfmBn和Bac=(L△I102)/2AeN。前一公式說明磁心損耗正比于頻率和磁通密度。頻率一定時，磁通密度小，損耗就小。從后一公式可以看出，在分子值不變時，增大分母值，即增大 Ae或N，或增大兩者的乘積， Bac值就減少。N值增加會加大銅損和磁場強(qiáng)度，要適當(dāng)處理。如選用低磁導(dǎo)率的材料，N增加既不會增加電感量又不會因磁場強(qiáng)度增加而使 減少更多。增加Ae,會因AL值增加而使匝數(shù)減少，但只要兩者乘積增加就行。例如Ae增加1倍，AL也增加1倍，但N僅減少30%,Ae與N的乘積可增加40%，從而使Bac降低近30%。因此，只要對有關(guān)參數(shù)調(diào)整得當(dāng)，就可以得到滿意的設(shè)計效果。2一個設(shè)計實(shí)例設(shè)計一只2000W的電感。Uo=400V,n=95%,f=1OOkHz,Ui(ac)min=90V。將△I設(shè)定在0.2li上。由以下公式，得出臨界電感值：通過以下的關(guān)系式，選擇所需磁心。LI2=(NI)2AL'yr卩移項后得AL'=LI2/(NI)2卩r(2)從表2可以查到不同磁心不同 □啲NI值?，F(xiàn)選定□為卩r=50%。將某一磁心相關(guān)數(shù)字代入上述公式求得 AL'值。將此值除以此磁心的AL值就可以得出要用多少只此種磁心。(1)選用ARNOLDMPP磁心866142,卩r=50%的NI為733代入公式得AL'為:AL'=(132X36.32)/(7332X0.5)=0.647表2幾種磁粉心不同—時的NI值磁心編號OtXIDXHT(cm3)le(cm)H/NIr=30%ar=40%gr=50%

H(Oe)NIH(Oe)NIH(Oe)NIMPP10915658.04X34.75X14.8614.300.087968774566374753586614278.94X47.96X13.9719.610.0641681061568744773348807558.04X34.75X14.8614.300.087914416381191354100113812306878.94X47.96X13.9719.610.0641144224611918561001138HF22506058.04X34.75X14.8614.300.087920022751601820123139930006078.94X47.96X13.9719.610.0641200312016024961231919MS22506058.04X34.75X14.8614.300.0879139158110912408697830006078.94X47.96X13.9719.610.064113921681091700861342IPT2251857.2X35.6X14.014.600.086121024391351568961115T3001877.2X49.0X12.719.800.063521033071352126961512T2255257.2X35.6X14.014.600.0861130151088102264743T3005277.2X49.0X12.719.800.06351302047881386641008n=AL'/AL=0.647/0.142=4.6(只)此結(jié)果，顯然無法采用。(2)選用ARNOLDMPP磁心123068,卩r=50%的NI為1560代入公式得AL'為0.143,0.143/0.068=2.1。用2只磁心，可以采用。兩只合用，有些參數(shù)要修正為：AL=0.136卩H/N2,Ae=3.54l/N=8.7