功率因數(shù)校正用電感材料

摘 要 ： 介 紹 用 于 無 源 和 有 源 功 率 因 數(shù) 校 正 中 電 感 材 料 的 特 性 和 選 擇 。

Abstract:The characteristic and selection of inductance material for use in PPFC and APFC are introduced.

關(guān) 鍵 詞 ： 電 感 材 料 無 源 功 率 因 數(shù) 校 正 有 源 功 率 因 數(shù) 校 正

Keywords:Inductance material， PPFC， APFC

1引言

　　開關(guān)電源（硬開關(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。

　　開關(guān)電源的功率因數(shù)校正器（PFC）可分為兩類，一類為有源PFC，由電感電容及電子元器件組成；另一類為無源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)開關(guān)調(diào)節(jié)器，通常采用Boost電路，基本電路拓樸見圖1。

圖1升壓型Boost電路

　　圖中Li為儲(chǔ)能電感，看起來并不復(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展討論。

2無源PFC中的電感材料選擇

　　無源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、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，由于流經(jīng)電流大小，線圈匝數(shù)完全相同，磁場強(qiáng)度強(qiáng)弱相當(dāng)，因而完全抵消，不存在磁飽和問題，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)必須注意頻響問題(見圖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)。

圖2低通濾波器電路原理圖

　　差模電感主要要解決磁飽和問題，在實(shí)際使用過程中，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)的磁場強(qiáng)度下，磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)1.34T。

圖3磁心μO隨頻率f的變化關(guān)系