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?。硗馄庞绊懶?,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0.4π/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μH/N2,。電感系數(shù)同有效磁導(dǎo)率之間有這樣的關(guān)系:AL=μe·4π·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μr表示),。
表1磁粉心磁心損耗(單位:mW/cm3)
牌號 | f=50kHz | f=100kHz | 計算公式 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
B/10-4T | 225 | 450 | 675 | 140 | 280 | 420 | |
MPP60μ | 14 | 52 | 111 | 16 | 59 | 127 | 0.7066f1.483(kHz)B1.889(kGs) |
125μ | 11 | 46 | 106 | 14 | 58 | 132 | 0.2938f1.708(kHz)B2.028(kGs) |
HF60μ | 15 | 71 | 174 | 14 | 67 | 164 | 1.586f1.423(kHz)B2.209(kGs) |
125μ | 32 | 131 | 299 | 33 | 137 | 313 | 2.207f1.459(kHz)B2.034(kGs) |
MS | 18 | 69 | 151 | 20 | 77 | 168 | f1.477(kHz)B1.935(kGs) |
IP-52 | 62 | 300 | 705 | 54 | 264 | 620 | 9.07×10-10f1.26(Hz)B2.11(Gs) |
-18 | 43 | 238 | 597 | 36 | 184 | 461 | 6.44×10-10f1.18(Hz)B2.27(Gs) |
注:圖中橫坐標(biāo)的數(shù)值以O(shè)e作單位,系非法定單位,,現(xiàn)換算為A.cm-1,1Oe=0.796A.cm-1
圖1MPP相對磁導(dǎo)率(μr)—直流磁場強(qiáng)度(H)特性曲線
圖2HI—FLUX相對磁導(dǎo)率(μr)—直流磁場強(qiáng)度(H)特性曲線
圖3SUPPER—MSS相對磁導(dǎo)率(μr)—直流磁場強(qiáng)度(H)特性曲線
圖4相對初始磁導(dǎo)率(μr)—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△I·102)/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μr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)計實例
設(shè)計一只2000W的電感。Uo=400V,,η=95%,,f=100kHz,Ui(ac)min=90V。將△I設(shè)定在0.2Ii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′μrμ
移項后得AL′=LI2/(NI)2μr(2)
從表2可以查到不同磁心不同μr的NI值?,F(xiàn)選定μ為μr=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,,μr=50%的NI為733代入公式得AL′為:
AL′=(132×36.32)/(7332×0.5)=0.647
表2幾種磁粉心不同μr時的NI值
磁心 | 編號 | OD×ID×HT(cm3) | le(cm) | H/NI | μr=30% | μr=40% | μr=50% | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
H(Oe) | NI | H(Oe) | NI | H(Oe) | NI | |||||
MPP | 109156 | 58.04×34.75×14.86 | 14.30 | 0.0879 | 68 | 774 | 56 | 637 | 47 | 535 |
866142 | 78.94×47.96×13.97 | 19.61 | 0.0641 | 68 | 1061 | 56 | 874 | 47 | 733 | |
488075 | 58.04×34.75×14.86 | 14.30 | 0.0879 | 144 | 1638 | 119 | 1354 | 100 | 1138 | |
123068 | 78.94×47.96×13.97 | 19.61 | 0.0641 | 144 | 2246 | 119 | 1856 | 100 | 1138 | |
HF | 225060 | 58.04×34.75×14.86 | 14.30 | 0.0879 | 200 | 2275 | 160 | 1820 | 123 | 1399 |
300060 | 78.94×47.96×13.97 | 19.61 | 0.0641 | 200 | 3120 | 160 | 2496 | 123 | 1919 | |
MS | 225060 | 58.04×34.75×14.86 | 14.30 | 0.0879 | 139 | 1581 | 109 | 1240 | 86 | 978 |
300060 | 78.94×47.96×13.97 | 19.61 | 0.0641 | 139 | 2168 | 109 | 1700 | 86 | 1342 | |
IP | T22518 | 57.2×35.6×14.0 | 14.60 | 0.0861 | 210 | 2439 | 135 | 1568 | 96 | 1115 |
T30018 | 77.2×49.0×12.7 | 19.80 | 0.0635 | 210 | 3307 | 135 | 2126 | 96 | 1512 | |
T22552 | 57.2×35.6×14.0 | 14.60 | 0.0861 | 130 | 1510 | 88 | 1022 | 64 | 743 | |
T30052 | 77.2×49.0×12.7 | 19.80 | 0.0635 | 130 | 2047 | 88 | 1386 | 64 | 1008 |
表330%μ時磁心參數(shù)計算結(jié)果
磁心No. | μr=30%的NI | 要求AL'/μH·N-2 | 磁心AL/μH·N-2 | AL'/AL/只 | 磁心/只 | Bac/Gs | PFe/mW | PCu/mW | △T/℃ |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
866142 | 1061 | 0.515 | 0.142 | 3.6 | 4 | 211 | 4539 | 9610 | 23 |
488075 | 1638 | 0.216 | 0.075 | 2.9 | 3 | 223 | 2378 | 11113 | 41 |
(HF)225060 | 2275 | 0.112 | 0.075 | 1.5 | 2 | 239 | 1946 | 11489 | 41 |
(HF)300060 | 3120 | 0.060 | 0.068 | 0.9 | 1 | 285 | 2417 | 11092 | 30 |
(MS)300060 | 2168 | 0.123 | 0.068 | 1.8 | 2 | 204 | 2886 | 11356 | 28 |
T22518 | 2439 | 0.097 | 0.067 | 1.4 | 2 | 228 | 4768 | 14036 | 61 |
T30052 | 2047 | 0.138 | 0.080 | 1.7 | 2 | 230 | 11631 | 12599 | 53 |
n=AL′/AL=0.647/0.142=4.6(只)
此結(jié)果,,顯然無法采用。
?。?)選用ARNOLDMPP磁心123068,,μr=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=0.136μH/N2,,Ae=3.54;Ve=69.54;
l/N=8.79cm;SA=259,。
設(shè)定μ=50%,起始電感值為:
132/0.5=264μH,,N=44,,Lo=263.3μH,
NI=44×36.3=1597.2,,
H=1597.2×0.0641×0.7958=81.5A/cm
查曲線得μr=49%,。
L31.3=263.3×0.49=129μH≈132μH