APFC电感采用磁粉心的设计

APFC电感采用磁粉心的设计摘要：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。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0.4n/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或卩H/N2。电感系数同有效磁导率之间有这样的关系： AL=ue・4n・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yr表示）。表1磁粉心磁心损耗（单位： mW/cm3）牌号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图3SUPPER—MSS相对磁导率（卩0—直流磁场强度（H）特性曲线10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=(L△I102)/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 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,n=95%,f=1OOkHz,Ui(ac)min=90V。将△I设定在0.2li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)2AL'yr卩移项后得AL'=LI2/(NI)2卩r(2)从表2可以查到不同磁心不同 □啲NI值。现选定□为卩r=50%。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,卩r=50%的NI为733代入公式得AL'为:AL'=(132X36.32)/(7332X0.5)=0.647表2几种磁粉心不同—时的NI值磁心编号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)此结果，显然无法采用。(2)选用ARNOLDMPP磁心123068,卩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=0.136卩H/N2,Ae=3.54l/N=8.7