APFC电感采用磁粉心的设计

1、APFC电感采用磁粉心的设计Design of APFC Inductor Utilizing Powder Cores 石家庄腾飞磁材经销部黄永富（北京100016）摘要：磁粉心具有较高的饱和磁通密度和较好的直流偏磁动态线性。用来制作APFC电感，只要恰当选择磁心尺寸和线圈匝数就能取得降低磁心损耗的效果。Abstract: Powder core has high saturation flux density and excellent motion linearity of DC bias.When powder core is used to preparation of APFC i

2、nductor,lower core loss will be obtained as long as core sizes and coil turns are properly selected. 关键词：饱和直流偏磁磁心损耗动态线性Keywords:Saturation， DC bias， Core loss， Motion linearity. 磁粉心的饱和磁通密度高达10T（10000Gs）左右，在强磁场条件下，即工作在大电流时，磁心不易饱和。制作APFC电感，不用开气隙，不会对电路产生电磁干扰（EMI）。而且由于其直流偏磁动态线性相当好，通过设计计算可以精确地控制在额定电流时的电感

3、值。恰当选择磁心尺寸和线圈匝数，还能得到满意的磁心损耗的结果。常见的磁粉心有钼坡莫合金磁粉心（MPP）、高磁通磁粉心（HF）、铁硅铝磁粉心（MS）和铁粉磁心（IP）。前两种，国内习惯上称为铁镍钼磁粉心和铁镍磁粉心。它们的磁心损耗数据见表1。前3种为美国阿诺集团（ARNOLD）产品，后1种为台湾产品。从表1可以明显看出MPP磁心损耗最低，铁粉心损耗最高，其它两种居中。某种条件下，MS磁心损耗略低于HF磁心，接近MPP磁心。MPP磁心价格比较贵，损耗低与成本高之间有矛盾，在要求温升必须很低时，不得不采用这种较贵的磁心。对于要求不是特别严格的场合，完全可以经过精心设计，采用其它磁心，甚至采用损耗高的

4、铁粉心，也能得到满意的结果。1对电感设计有关参数的剖析对于设计与制作APFC电感，主要要求其温升低（即损耗要小），另外偏磁影响小，能有效控制电感值在额定电流时不低于临界电感值。为了设计出性能价格比满意的APFC电感，有必要对电感设计的有关参数进行充分的剖析。有些参数是与磁心规格尺寸有关的如：AL，Ae，le，Ve，Wt，l/N，SA，Wa等。由le派生出H/NI，它等于0.4/le，可称它为磁场强度系数。磁心大，le就大，此值就小。乘上NI就是磁场强度值H。另外，亦可称它为饱和系数，此值小，就不易饱和。在相同NI时，大磁心就比小磁心不容易饱和。还有一个参数：线圈匝数N。匝数多电感值就大。l/N

5、为每匝导线平均长度，单位为cm。SA为线圈表面积。AL为电感系数，单位为nH/N2或H/N2。电感系数同有效磁导率之间有这样的关系：AL=e·4·Ae/le。电感系数与匝数和电感量之间的关系为：L=N2·AL。控制磁心饱和比较简单，就是选用尺寸大的磁心；采用磁导率低的材料。从图1图4可以看出，低磁导率的曲线，随磁场强度增大而下降的趋势，比较平稳缓慢(注：原稿纵坐标称“百分磁导率”，这里用相对磁导率r表示）。表1磁粉心磁心损耗（单位：mW/cm3）牌号f=50kHzf=100kHz计算公式B/104T225450675140280420MPP601452111165

6、91270.7066f1.483(kHz)B1.889(kGs)125114610614581320.2938f1.708(kHz)B2.028(kGs)HF60157117414671641.586f1.423(kHz)B2.209(kGs)12532131299331373132.207f1.459(kHz)B2.034(kGs)MS18691512077168f1.477(kHz)B1.935(kGs)IP5262300705542646209.07×1010f1.26(Hz)B2.11(Gs)1843238597361844616.44×1010f1.18(Hz)B

7、2.27(Gs)图1MPP相对磁导率（r）直流磁场强度（H）特性曲线图2HIFLUX相对磁导率（r）直流磁场强度（H）特性曲线图3SUPPERMSS相对磁导率（r）直流磁场强度（H）特性曲线图4相对初始磁导率（r）直流磁场强度（H）关系曲线同磁心损耗有关的参数比较多，给我们提供了调整余地。有两个公式：Pcore=kfmBn和Bac=(LI·102)/2AeN。前一公式说明磁心损耗正比于频率和磁通密度。频率一定时，磁通密度小，损耗就小。从后一公式可以看出，在分子值不变时，增大分母值，即增大Ae或N，或增大两者的乘积，Bac值就减少。N值增加会加大铜损和磁场强度，要适当处理。如选用低磁导

8、率的材料，N增加既不会增加电感量又不会因磁场强度增加而使r减少更多。增加Ae，会因AL值增加而使匝数减少，但只要两者乘积增加就行。例如Ae增加1倍，AL也增加1倍，但N仅减少30，Ae与N的乘积可增加40，从而使Bac降低近30。因此，只要对有关参数调整得当，就可以得到满意的设计效果。2一个设计实例设计一只2000W的电感。Uo=400V，=95，f=100kHz,Ui（ac)min=90V。将I设定在0.2Ii上。由以下公式，得出临界电感值：通过以下的关系式，选择所需磁心。LI2=（NI）2ALr移项后得AL=LI2/（NI）2r(2)从表2可以查到不同磁心不同r的NI值。现选定为r=50。

9、将某一磁心相关数字代入上述公式求得AL值。将此值除以此磁心的AL值就可以得出要用多少只此种磁心。（1）选用ARNOLDMPP磁心866142，r=50的NI为733代入公式得AL为：AL=(132×36.32)/(7332×0.5)=0.647表2几种磁粉心不同r时的NI值磁心编号OD×ID×HT（cm3）le(cm)H/NIr=30r=40r=50H(Oe)NIH(Oe)NIH(Oe)NIMPP10915658.04×34.75×14.8614.300.087968774566374753586614278.94×47.9

10、6×13.9719.610.0641681061568744773348807558.04×34.75×14.8614.300.087914416381191354100113812306878.94×47.96×13.9719.610.0641144224611918561001138HF22506058.04×34.75×14.8614.300.087920022751601820123139930006078.94×47.96×13.9719.610.064120031201602496123191

11、9MS22506058.04×34.75×14.8614.300.0879139158110912408697830006078.94×47.96×13.9719.610.064113921681091700861342IPT2251857.2×35.6×14.014.600.086121024391351568961115T3001877.2×49.0×12.719.800.063521033071352126961512T2255257.2×35.6×14.014.600.086113015

12、1088102264743T3005277.2×49.0×12.719.800.06351302047881386641008表330时磁心参数计算结果磁心No.r=30的NI要求AL/H·N2磁心AL/H·N2ALAL/只磁心/只Bac/GsPFe/mWPCu/mWT/86614210610.5150.1423.64211453996102348807516380.2160.0752.9322323781111341(HF)22506022750.1120.0751.5223919461148941(HF)30006031200.0600.0680.9

13、128524171109230(MS)30006021680.1230.0681.8220428861135628T2251824390.0970.0671.4222847681403661T3005220470.1380.0801.72230116311259953n=AL/AL=0.647/0.142=4.6(只)此结果，显然无法采用。（2）选用ARNOLDMPP磁心123068，r=50的NI为1560代入公式得AL为0.143，0.143/0.068=2.1。用2只磁心，可以采用。两只合用，有些参数要修正为：AL=0.136H/N2，Ae=3.54;Ve=69.54;l/N=8.79c

14、m;SA=259。设定=50，起始电感值为：132/0.5=264H，N=44，Lo=263.3H，NI=44×36.3=1597.2，H=1597.2×0.0641×0.7958=81.5A/cm查曲线得r=49。L31.3=263.3×0.49=129H132H下一步核算磁心损耗：上述结果相当满意。由于MPP磁心价格较贵，能否用铁粉心来代替？可以选几只磁心算一算。（3）选用铁粉心T30052，r=50时NI为1008。代入公式得AL为0.342，其AL为0.080，0.342÷0.080=4.3，也要4只，亦不可取。（4）选用铁粉心T300

15、18，r=50时NI为1512。代入公式得AL为0.152，其AL为0.058，0.152÷0.058=2.6，用3只，可以试试。3只共用，参数调整为：AL=0.174H/N2;Ae=5.04cm2;Ve=100.2cm3;l/N=13.05cm;SA=273cm2。设定为r=50，起始电感值为264H。N=38.939,Lo=264.6H，NI=1415.7，H=71.6A/cm,=52，L36.3=264.6×0.52=137.6H>132HPFe=106.74×100.2=10691.34mW温升较MMP高了15.6，还可以用。3对参数进行调整的效果前

16、面4种磁心是在将r定在50，4种只有两种选上。如果将r调为40或30，结果又将如何呢？表3列出了对7种磁心定位在r=30时的磁心计算结果。除866142要用4只外，488075用3只也能达到温升41的结果。HF300060用1只，温升只有30，而MS300060要用2只，温升只有28。铁粉心T30052，只用两只，温升为53，而两只T22518，温升稍高一些为61。T30018，要用3只，温升为42.4，见前文2（4）（r=50时）。7种磁心至少可以选用3种，有两种温升超过50，有两种要3只以上，要选用也是可以的。表4为几种磁心的特性参数供参考。后两列为8和7铜线在绕组填充系数为40条件下的可

17、绕匝数。实际使用时，超过20还是绕得下的。4结语上述设计思路，先解决饱和影响问题，即可以确保在额定电流时，电感量不低于临界电感值。然后再进一步核算温升情况。具体操作时，可以采取列表3的办法，将可能选用的磁心都列出来，算出结果后，从中选用温升不高，价格又不高的那种。什么样的磁心才是可能选用的呢？根据本实例：Po=2000W，f=100kHz，Uo=400V，=95，Ui(ac)min=90V。表2中NI达到2000左右的，基本上都行。低于1000的基功率因数校正用电感材料磁心序号ALHN2Ae/cm2le/cmVe/cm3IN/cmSA/cm20.4Wa/c.m8的N（T）7的N（T）MPP86

18、61420.1421.7719.6134.775.99225142580078624880750.0751.4414.3020.655.4712974857041321230680.0681.7719.6134.775.9922514258007862HF2250600.0751.4414.3020.655.4712974857041323000600.0681.7719.6134.775.9922514258007862MS2250600.0751.4414.3020.655.4712974857041323000600.0681.7719.6134.775.9922514258007862IPT225180.0671.4214.6