APFC電感選擇1

APFC 電感采用磁粉心的設(shè)計(jì) Design of APFC Inductor Utilizing Powder Cores 石家莊騰飛磁材經(jīng)銷部黃永富 北京 100016 摘要 磁粉心具有較高的飽和磁通密度和較好的直流偏磁動態(tài)線性 用來制作 APFC 電感 只要恰 當(dāng)選擇磁心尺寸和線圈匝數(shù)就能取得降低磁心損耗的效果 Abstract Powder core has high saturation flux density and excellent motion linearity of DC bias When powder core is used to preparation of APFC inductor lower core loss will be obtained as long as core sizes and coil turns are properly selected 關(guān)鍵詞 飽和直流偏磁磁心損耗動態(tài)線性 Keywords Saturation DC bias Core loss Motion linearity 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(shí) 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(jì)計(jì)算可以精確地控制在額定電流時(shí)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(jià)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(shí) 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(jì) 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(jì)有關(guān)參數(shù)的剖析 對于設(shè)計(jì)與制作 APFC 電感 主要要求其溫升低 即損耗要小 另外偏磁影響小 能有效控 制電感值在額定電流時(shí)不低于臨界電感值 為了設(shè)計(jì)出性能價(jià)格比滿意的 APFC 電感 有必要對電感設(shè)計(jì)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 4 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(shí) 大磁心就比小磁心不 容易飽和 還有一個(gè)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 H N2 電感系數(shù)同有效磁導(dǎo)率之間有這 樣的關(guān)系 AL e 4 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 r 表示 表 1 磁粉心磁心損耗 單位 mW cm3 牌號牌號f 50kHzf 100kHz計(jì)算公式計(jì)算公式 B 10 4T 225 450 675 140 280 420 MPP60 1452 111 1659 127 0 7066f1 483 kHz B1 889 kGs 125 1146 106 1458 132 0 2938f1 708 kHz B2 028 kGs HF60 1571 174 1467 1641 586f1 423 kHz B2 209 kGs 125 32 131 299 33 137 3132 207f1 459 kHz B2 034 kGs MS1869 151 2077 168f1 477 kHz B1 935 kGs IP 5262 300 705 54 264 620 9 07 10 10f1 26 Hz B2 11 Gs 1843 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 Oe 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 r 直流磁場強(qiáng)度 H 特性曲線 圖 2HI FLUX 相對磁導(dǎo)率 r 直流磁場強(qiáng)度 H 特性曲線 圖 3SUPPER MSS 相對磁導(dǎo)率 r 直流磁場強(qiáng)度 H 特性曲線 圖 4 相對初始磁導(dǎo)率 r 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(gè)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(shí) 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(shí) 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 r 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(jì)效果 2 一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例 設(shè)計(jì)一只 2000W 的電感 Uo 400V 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 r 移項(xiàng)后得 AL LI2 NI 2 r 2 從表 2 可以查到不同磁心不同 r 的 NI 值 現(xiàn)選定 為 r 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 r 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 r 時(shí)的 NI 值 磁心磁心編號編號OD ID HT cm3 le cm H NI r 30 r 40 r 50 H Oe NIH Oe NIH Oe NI 10915658 04 34 75 14 8614 30 0 0879687745663747535 86614278 94 47 96 13 9719 61 0 06416810615687447733 48807558 04 34 75 14 8614 30 0 0879144163811913541001138 MPP 12306878 94 47 96 13 9719 61 0 0641144224611918561001138 22506058 04 34 75 14 8614 30 0 0879200227516018201231399 HF 30006078 94 47 96 13 9719 61 0 0641200312016024961231919 22506058 04 34 75 14 8614 30 0 08791391581109124086978 MS 30006078 94 47 96 13 9719 61 0 064113921681091700861342 T2251857 2 35 6 14 014 60 0 086121024391351568961115 T3001877 2 49 0 12 719 80 0 063521033071352126961512 T2255257 2 35 6 14 014 60 0 0861130151088102264743 IP T3005277 2 49 0 12 719 80 0 06351302047881386641008 表 330 時(shí)磁心參數(shù)計(jì)算結(jié)果 磁心磁心 No r 30 的的 NI 要求要求 AL H N 2 磁心磁心 AL H N 2 AL AL 只只 磁磁 心心 只只 Bac Gs PFe mW PCu mW T 86614210610 5150 1423 642114539961023 48807516380 2160 0752 9322323781111341 HF 22506022750 1120 0751 5223919461148941 HF 30006031200 0600 0680 9128524171109230 MS 30006021680 1230 0681 8220428861135628 T2251824390 0970 0671 4222847681403661 T3005220470 1380 0801 72230116311259953 n AL AL 0 647 0 142 4 6 只 此結(jié)果 顯然無法采用 2 選用 ARNOLDMPP 磁心 123068 r 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 0 136 H N2 Ae 3 54 Ve 69 54 l N 8 79cm SA 259 設(shè)定 50 起始電感值為 132 0 5 264 H N 44 Lo 263 3 H NI 44 36 3 1597 2 H 1597 2 0 0641 0 7958 81 5A cm 查曲線得 r 49 L31 3 263 3 0 49 129 H 132 H 下一步核算磁心損耗 Pcore 0 7066 1001 483 0 278241 889 58 3mW cm3 上述結(jié)果相當(dāng)滿意 由于 MPP 磁心價(jià)格較貴 能否用鐵粉心來代替 可以選幾只磁心算一算 3 選用鐵粉心 T30052 r 50 時(shí) NI 為 1008 代入公式得 AL 為 0 342 其 AL 為 0 080 0 342 0 080 4 3 也要 4 只 亦不可取 4 選用鐵粉心 T30018 r 50 時(shí) NI 為 1512 代入公式得 AL 為 0 152 其 AL 為 0 058 0 152 0 058 2 6 用 3 只 可以試試 3 只共用 參數(shù)調(diào)整為 AL 0 174 H N2 Ae 5 04cm2 Ve 100 2cm3 l N 13 05cm SA 273cm2 設(shè)定為 r 50 起始電感值為 264 H N 38 9 39 Lo 264 6 H NI 1415 7 H 71 6A cm 52 L36 3 264 6 0 52 137 6 H 132 H PFe 106 74 100 2 10691 34mW 溫升較 MMP 高了 15 6 還可以用 3 對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整的效果 前面 4 種磁心是在將 r 定在 50 4 種只有兩種選上 如果將 r 調(diào)為 40 或 30 結(jié)果 又將如何呢 表 3 列出了對 7 種磁心定位在 r 30 時(shí)的磁心計(jì)算結(jié)果 除 866142 要用 4 只外 488075 用 3 只也能達(dá)到溫升 41 的結(jié)果 HF300060 用 1 只 溫升只有 30 而 MS300060 要用 2 只 溫升只有 28 鐵粉心 T30052 只用兩只 溫升為 53 而兩只 T22518 溫升稍高一些為 61 T30018 要用 3 只 溫升為 42 4 見前文 2 4 r 50 時(shí) 7 種磁心至少可以選用 3 種 有兩種溫升超過 50 有兩種要 3 只以上 要選用也是可以的 表 4 為幾種磁心的特性參數(shù)供參考 后兩列為 8 和 7 銅線在繞組填充系數(shù)為 40 條件下的可繞 匝數(shù) 實(shí)際使用時(shí) 超過 20 還是繞得下的 4 結(jié)語 上述設(shè)計(jì)思路 先解決飽和影響問題 即可以確保在額定電流時(shí) 電感量不低于臨界電感值 然后再進(jìn)一步核算溫升情況 具體操作時(shí) 可以采取列表 3 的辦法 將可能選用的磁心都列出來 算出結(jié)果后 從中選用溫升不高 價(jià)格又不高的那種 什么樣的磁心才是可能選用的呢 根據(jù)本實(shí) 例 Po 2000W f 100kHz Uo 400V 95 Ui ac min 90V 表 2 中 NI 達(dá)到 2000 左右的 基 本上都行 低于 1000 的基 功率因數(shù)校正用電感材料 磁心磁心序號序號 AL H N2 Ae cm2 le cm Ve cm3 I N c m SA cm2 0 4Wa c m 8 的的 N T 7 的的 N T 8661420 1421 7719 6134 775 9922514258