1 引言

電源" title="開(kāi)關(guān)電源" target="_blank">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(rèn)可,。但是負(fù)面效應(yīng)決不可忽視,，由于不可控整流方式網(wǎng)側(cè)輸入電流為非正弦周期電流，AC/DC變換器在投入運(yùn)行時(shí),，將向電網(wǎng)注入大量的高次諧波,，因此網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)不高,，僅有0.6左右，并對(duì)電網(wǎng)和其它電氣設(shè)備造成嚴(yán)重諧波污染與干擾,。在三相四線制供電方式中,，由于多次諧波分量疊加，使中線電流增大,，這是一個(gè)很棘手的問(wèn)題,。而如今計(jì)算機(jī)電源、UPS,、程控交換機(jī)電源,、電焊機(jī)電源、電子鎮(zhèn)流器等早已高頻開(kāi)關(guān)化,，其對(duì)電網(wǎng)的污染已達(dá)到必須治理的程度,，因此功率因數(shù)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(shù)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(duì)輸入電流嚴(yán)重非正弦情況采取相應(yīng)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(shù)校正實(shí)際上是對(duì)輸入電流整形使其盡可能正弦化,，同時(shí)改善電源系統(tǒng)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(shù)校正的基本思路,。

開(kāi)關(guān)電源的功率因數(shù)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(bǔ)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(shù),。在校正電路中有源PFC較多采用高頻升壓電路功率因數(shù)開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器,，通常采用Boost電路，基本電路拓樸見(jiàn)圖1,。

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(rèn)可,。但是負(fù)面效應(yīng)決不可忽視，由于不可控整流方式網(wǎng)側(cè)輸入電流為非正弦周期電流,，AC/DC變換器在投入運(yùn)行時(shí),，將向電網(wǎng)注入大量的高次諧波，因此網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)不高,，僅有0.6左右,，并對(duì)電網(wǎng)和其它電氣設(shè)備造成嚴(yán)重諧波污染與干擾。在三相四線制供電方式中,，由于多次諧波分量疊加,，使中線電流增大，這是一個(gè)很棘手的問(wèn)題,。而如今計(jì)算機(jī)電源,、UPS、程控交換機(jī)電源,、電焊機(jī)電源、電子鎮(zhèn)流器等早已高頻開(kāi)關(guān)化,，其對(duì)電網(wǎng)的污染已達(dá)到必須治理的程度,，因此功率因數(shù)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(shù)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(duì)輸入電流嚴(yán)重非正弦情況采取相應(yīng)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(shù)校正實(shí)際上是對(duì)輸入電流整形使其盡可能正弦化,，同時(shí)改善電源系統(tǒng)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(shù)校正的基本思路,。

開(kāi)關(guān)電源的功率因數(shù)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(bǔ)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(shù)。在校正電路中有源PFC較多采用高頻升壓電路功率因數(shù)開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器,，通常采用Boost電路,，基本電路拓樸見(jiàn)圖1。

圖中Li為儲(chǔ)能電感,，看起來(lái)并不復(fù)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(duì)稱(chēng),、線圈匝數(shù)相同的兩個(gè)電感線圈,，繞在同一個(gè)鐵心上，電流同方向流經(jīng)兩組線圈后,，根據(jù)右手螺旋法則,，在電感鐵心內(nèi)產(chǎn)生兩個(gè)方向相反的磁場(chǎng)，由于流經(jīng)電流大小,，線圈匝數(shù)完全相同,，磁場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)弱相當(dāng)，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(dǎo)率μo，對(duì)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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(rèn)識(shí)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(xiàn)在用于濾波器中差模電感鐵心大多為有效磁導(dǎo)率為60～75的磁粉心,，B500=1.34T，即在39788.5A/m(即500Oe)的磁場(chǎng)強(qiáng)度下,，磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)1.34T,。

圖4是有效磁導(dǎo)率為75的鐵粉心的靜態(tài)磁滯回線，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(guī)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(dǎo)率隨頻率變化的曲線，可見(jiàn)它們磁導(dǎo)率隨頻率上升而下降的趨勢(shì)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,，可見(jiàn)吸收峰出現(xiàn)在不同的頻率范圍內(nèi)，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(yīng)該考慮抑制噪聲的頻率范圍,，來(lái)選擇不同型號(hào)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(shù)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(dá)到控制輸入電流,。功率開(kāi)關(guān)器件的切換速率ωS遠(yuǎn)大于工頻ωo（ωS=Kωo，K　1）,；L值大得足以使電感中的電流連續(xù),，當(dāng)功率器件開(kāi)關(guān)切換脈沖占空比的變化遵循正弦規(guī)律時(shí)，即所謂正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）時(shí)電感中流過(guò)的電流為：

當(dāng)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(xiàn)了DF=1,，cosφ=1,，達(dá)到功率因數(shù)校正的目的。從圖7中可見(jiàn),，S的控制信號(hào)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(zhǎng)充電，關(guān)斷后L上的電壓與輸入電壓疊加為電容C和負(fù)載提供能量,，因此PFC中的電感是一個(gè)儲(chǔ)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(duì)于該電感鐵心材料提出了相當(dāng)高的要求,，即在強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)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(shù)下和鐵粉心相比截面將增加1倍左右,，因而體積勢(shì)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(dāng)溫度超過(guò)鐵氧體居里點(diǎn)時(shí),，有效磁導(dǎo)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(duì)鐵氧體磁心在有源PFC線路中用作儲(chǔ)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(yīng)用，已被很多電源工作者所認(rèn)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(guó)外文獻(xiàn)對(duì)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(jìng)爭(zhēng)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(xiàn)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曲線和電流特性曲線，可以和2Mo80NiFe相比擬,，從圖10中所介紹的損耗曲線中可以發(fā)現(xiàn),，它的損耗高于坡莫合金磁粉心，但遠(yuǎn)低于鐵粉心,，可用在PFC中作電感材料,。

4 結(jié)論

功率因數(shù)校正技術(shù)將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，廣大電源工作者希望找到合適的材料來(lái)滿足電路的要求,。筆者本著這一目的介紹有關(guān)電感材料的一些情況及特性,。介紹了鐵粉心在PFC中的應(yīng)用，提出了抑制噪聲頻段不同,，在差模中應(yīng)用可選擇不同磁導(dǎo)率鐵粉心的觀點(diǎn),。根據(jù)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(shù)校正器。