APFC電感采用磁粉心的設(shè)計

1、APFC電感采用磁粉心的設(shè)計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 i

2、nductor,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，在強磁場條件下，即工作在大電流時，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)計計算可以精確地控制在額定電流時的電感

3、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，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，采用其它磁心，甚至采用損耗高的

4、鐵粉心，也能得到滿意的結(jié)果。1對電感設(shè)計有關(guān)參數(shù)的剖析對于設(shè)計與制作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不低于臨界電感值。為了設(shè)計出性能價格比滿意的APFC電感，有必要對電感設(shè)計的有關(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，可稱它為磁場強度系數(shù)。磁心大，le就大，此值就小。乘上NI就是磁場強度值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，大磁心就比小磁心不容易飽和。還有一個參數(shù)：線圈匝數(shù)N。匝數(shù)多電感值就大。l/N

5、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?？刂拼判娘柡捅容^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f=50kHzf=100kHz計算公式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)圖1MPP相對磁導(dǎo)率（r）直流磁場強度（H）特性曲線圖2HIFLUX相對磁導(dǎo)率（r）直流磁場強度（H）特性曲線圖3SUPPERMSS相對磁導(dǎo)率（r）直流磁場強度（H）特性曲線圖4相對初始磁導(dǎo)率（r）直流磁場強度（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。有兩個公式：Pcore=kfmBn和Bac=(LI·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，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，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度，要適當(dāng)處理。如選用低磁導(dǎo)

8、率的材料，N增加既不會增加電感量又不會因磁場強度增加而使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)計效果。2一個設(shè)計實例設(shè)計一只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）2ALr移項后得AL=LI2/（NI）2r(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。

9、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時的NI值磁心編號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時磁心參數(shù)計算結(jié)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=0.136H/N2，Ae=3.54;Ve=69.54;l/N=8.79c

14、m;SA=259。設(shè)定=50，起始電感值為：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查曲線得r=49。L31.3=263.3×0.49=129H132H下一步核算磁心損耗：上述結(jié)果相當(dāng)滿意。由于MPP磁心價格較貴，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T300

15、18，r=50時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=0.174H/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

16、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時的磁心計算結(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）。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

17、繞匝數(shù)。實際使用時，超過20還是繞得下的。4結(jié)語上述設(shè)計思路，先解決飽和影響問題，即可以確保在額定電流時，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，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序號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