中心議題：

• 無源PFC中的電感材料選擇
• 有源PFC中的電感材料選擇

解決方案：

• 差模電感主要要解決磁飽和問題
• 共模電感主要解決幹擾問題

開關電源（硬開關方式）如今已經實用化
、商(shang)品(pin)化(hua)，其(qi)突(tu)出(chu)的(de)優(you)點(dian)效(xiao)率(lv)高(gao)，體(ti)積(ji)小(xiao)
，重(zhong)量(liang)輕(qing)已(yi)被(bei)人(ren)們(men)認(ren)可(ke)。但(dan)是(shi)負(fu)麵(mian)效(xiao)應(ying)決(jue)不(bu)可(ke)忽(hu)視(shi)，由(you)於(yu)不(bu)可(ke)控(kong)整(zheng)流(liu)方(fang)式(shi)網(wang)側(ce)輸(shu)入(ru)電(dian)流(liu)為(wei)非(fei)正(zheng)弦(xian)周(zhou)期(qi)電(dian)流(liu)
，AC/DC變換器在投入運行時，將向電網注入大量的高次諧波，因此網側的功率因數不高
，僅有0.6zuoyou，bingduidianwangheqitadianqishebeizaochengyanzhongxiebowuranyuganrao。zaisanxiangsixianzhigongdianfangshizhong，youyuduocixiebofenliangdiejia，shizhongxiandianliuzengda，zheshiyigehenjishoudewenti。errujinjisuanjidianyuan

、UPS、程控交換機電源
、電焊機電源
、電dian子zi鎮zhen流liu器qi等deng早zao已yi高gao頻pin開kai關guan化hua，其qi對dui電dian網wang的de汙wu染ran已yi達da到dao必bi須xu治zhi理li的de程cheng度du，因yin此ci功gong率lv因yin數shu校xiao正zheng技ji術shu正zheng在zai成cheng為wei熱re點dian，並bing將jiang成cheng為wei商shang家jia進jin入ru市shi場chang的de關guan鍵jian。
　　
從電工學原理講，功率因數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—電網電流有效值
；
U—電網電壓有效值;
φ—基波電流
、電壓的相位差；
DF（distortionfactor）為電流失真因子。
　　
要使PF→1，必須對輸入電流嚴重非正弦情況采取相應的措施，使DF→1，同時還必須使基波電流與電壓相位差φ→0
，才能使PF→1，所(suo)以(yi)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)校(xiao)正(zheng)實(shi)際(ji)上(shang)是(shi)對(dui)輸(shu)入(ru)電(dian)流(liu)整(zheng)形(xing)使(shi)其(qi)盡(jin)可(ke)能(neng)正(zheng)弦(xian)化(hua)，同(tong)時(shi)改(gai)善(shan)電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)的(de)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)，使(shi)之(zhi)盡(jin)量(liang)呈(cheng)電(dian)阻(zu)性(xing)

，使(shi)基(ji)波(bo)電(dian)流(liu)與(yu)電(dian)壓(ya)同(tong)相(xiang)位(wei)。這(zhe)就(jiu)是(shi)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)校(xiao)正(zheng)的(de)基(ji)本(ben)思(si)路(lu)。
　　
開關電源的功率因數校正器（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。在校正電路中有源PFC較多采用高頻升壓電路功率因數開關調節器，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為儲能電感
，看起來並不複雜的電路，但是如何能夠合理選擇元件及相關元件的材料是關鍵所在，本文將就PFC技術中的電感元件及材料開展討論。

無源PFC中的電感材料選擇
　　
無源PFC是一個由電感、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。
　　
共模電感是完全對稱、線xian圈quan匝za數shu相xiang同tong的de兩liang個ge電dian感gan線xian圈quan，繞rao在zai同tong一yi個ge鐵tie心xin上shang
，電dian流liu同tong方fang向xiang流liu經jing兩liang組zu線xian圈quan後hou
，根gen據ju右you手shou螺luo旋xuan法fa則ze，在zai電dian感gan鐵tie心xin內nei產chan生sheng兩liang個ge方fang向xiang相xiang反fan的de磁ci場chang
，由you於yu流liu經jing電dian流liu大da小xiao，線xian圈quan匝za數shu完wan全quan相xiang同tong，磁ci場chang強qiang度du強qiang弱ruo相xiang當dang，因yin而er完wan全quan抵di消xiao，不bu存cun在zai磁ci飽bao和he問wen題ti，主zhu要yao是shi要yao考kao慮lv電dian感gan鐵tie心xin材cai料liao的de初chu始shi磁ci導dao率lvμo
，對於這類材料的μo越高越好，通常有高μo係列的鐵氧體磁心

，μo=4×103，6×103，8×103，1×104等類型
，鐵基超微晶材料μo≥5×104，坡莫合金係列如1J79，1J851係列
，μo≥5×104。在選擇金屬磁性材料時必須注意頻響問題(見圖3)1J79或1J851係列的磁心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
，設計時應注意這一點。


圖2低通濾波器電路原理圖
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差模電感主要要解決磁飽和問題
，在實際使用過程中，廣大電路工作者已經逐步認識到了磁粉心的優越性
，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，矽鋼磁心加氣隙）已越來越少。現在用於濾波器中差模電感鐵心大多為有效磁導率為60～75的磁粉心，B500=1.34T，即在39788.5A/m(即500Oe)的磁場強度下，磁感應強度達1.34T。


圖3磁心μO隨頻率f的變化關係

圖4是有效磁導率為75的鐵粉心的靜態磁滯回線，和鐵氧體材料相比，有高的Bs值zhi，不bu易yi飽bao和he，因yin此ci體ti積ji至zhi少shao可ke減jian小xiao一yi半ban，采cai用yong廉lian價jia的de鐵tie粉fen作zuo原yuan料liao
，並bing且qie不bu需xu要yao開kai口kou
，沒mei有you噪zao聲sheng，成cheng本ben可ke大da大da降jiang低di

，價jia格ge可ke以yi和he鐵tie氧yang體ti比bi擬ni，以yi27×14×11的規格為例，它可以承受400安匝而不飽和，優點突出。


圖4μe=75鐵粉心的B－H曲線
　　
但是值得商榷的是

，可選擇作為濾波器的差模電感的磁粉心不僅僅是μe=75鐵粉心一種，圖5是鐵粉心係列μe=75
，μe=55，μe=35磁導率隨頻率變化的曲線

，可見它們磁導率隨頻率上升而下降的趨勢不同。圖6是MICROMETARS公司－8（μe=35）和上海鋼研精密合金器材研究所SF－33（μe=37.5）鐵tie粉fen心xin材cai料liao的de插cha入ru損sun耗hao曲qu線xian
，可ke見jian吸xi收shou峰feng出chu現xian在zai不bu同tong的de頻pin率lv範fan圍wei內nei，因yin此ci除chu了le考kao慮lv電dian感gan量liang大da小xiao，磁ci飽bao和he問wen題ti，價jia格ge等deng因yin素su外wai
，還hai應ying該gai考kao慮lv抑yi製zhi噪zao聲sheng的de頻pin率lv範fan圍wei，來lai選xuan擇ze不bu同tong型xing號hao的de鐵tie粉fen心xin。


圖5有效磁導率與頻率的關係曲線

圖6兩種鐵粉心的插入損耗曲線

有源PFC中的電感材料選擇
　　
在(zai)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)的(de)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)校(xiao)正(zheng)中(zhong)基(ji)本(ben)上(shang)是(shi)采(cai)用(yong)升(sheng)壓(ya)式(shi)變(bian)換(huan)電(dian)路(lu)，而(er)升(sheng)壓(ya)電(dian)感(gan)是(shi)串(chuan)在(zai)輸(shu)入(ru)回(hui)路(lu)中(zhong)，電(dian)感(gan)電(dian)流(liu)等(deng)於(yu)輸(shu)入(ru)電(dian)流(liu)，隻(zhi)要(yao)控(kong)製(zhi)電(dian)感(gan)電(dian)流(liu)就(jiu)可(ke)以(yi)達(da)到(dao)控(kong)製(zhi)輸(shu)入(ru)電(dian)流(liu)。功(gong)率(lv)開(kai)關(guan)器(qi)件(jian)的(de)切(qie)換(huan)速(su)率(lv)ωS遠大於工頻ωo（ωS=Kωo，K1）；L值大得足以使電感中的電流連續，當功率器件開關切換脈衝占空比的變化遵循正弦規律時
，即所謂正弦波脈寬調製（SPWM）時電感中流過的電流為：

iL=UpsinωotIpsinωot/Upsin[sinωot＋(Dπ/K)](2)
當K=1時，
iL=Ipsinωot(3)
即iL與輸入電壓一樣，都是正弦波，相位又相同,從而實現了DF=1
，cosφ=1，達到功率因數校正的目的。
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從圖7中可見
，S的控製信號實際上受控於輸入電壓，開通時由全波整流電路為L充電，關斷後L上的電壓與輸入電壓疊加為電容C和負載提供能量，因此PFC中的電感是一個儲能電感而且電感量又必須足夠的大，在50Hz基波電流上又疊加了高頻成份
，對於該電感鐵心材料提出了相當高的要求
，即在強的基波電流作用下不飽和又在高頻下有低的損耗。


圖7基本升壓型有源功率因數校正電路

目前扼流圈鐵心使用的材料主要有兩類，一類是功率鐵氧體磁心加開氣隙，另一類是磁粉心。表1是它們的飽和磁感應強度（Bs）的比較，其中錳鋅軟磁鐵氧體Bs值最低
，為0.5T，約為鐵粉心的一半左右，因此在同樣安匝數下和鐵粉心相比截麵將增加1倍左右，因而體積勢必增大。
表1不同材料的Bs值比較



另(ling)外(wai)由(you)於(yu)加(jia)開(kai)氣(qi)隙(xi)，在(zai)鐵(tie)氧(yang)體(ti)開(kai)氣(qi)隙(xi)處(chu)表(biao)麵(mian)，形(xing)成(cheng)表(biao)麵(mian)渦(wo)流(liu)，造(zao)成(cheng)鐵(tie)氧(yang)體(ti)磁(ci)心(xin)局(ju)部(bu)升(sheng)溫(wen)，使(shi)鐵(tie)氧(yang)體(ti)磁(ci)心(xin)發(fa)熱(re)，當(dang)溫(wen)度(du)超(chao)過(guo)鐵(tie)氧(yang)體(ti)居(ju)裏(li)點(dian)時(shi)
，有(you)效(xiao)磁(ci)導(dao)率(lv)μe急劇下降為0，這也是功率鐵氧體磁心用作電感不利的一麵，許多電源工作者對鐵氧體磁心在有源PFC線路中用作儲能電感鐵心持否定態度，可能主要就是這個原因吧。
　　
關於磁粉心在PFC電感中的應用，已被很多電源工作者所認可。目前磁粉心材料大致有鐵粉心，Sendust粉心（FeSiAl），坡莫合金粉心（P.P.M），從損耗曲線上可以看出，P.P.M（μe=60）及Sendust(μe=60)和鐵粉心（μe=35）相比
，前二者約為後者的1/10～1/6
，因此
，鐵粉心可以排除，無法用作PFC電感材料
，除非大大增加體積，降低工作B值。
　　
國外文獻對於PFC電感材料一般都介紹坡莫合金係列
，筆者以為，2Mo80NiFe磁粉係列（μe=160，147，125

，60等）有優良的性能，其頻率特性
、dianliutexing，sunhaotexingjunweimuqianzuigaoshuiping，erqiexiliehua，youkexuanzeyudi
，danshijiagebijiaoanggui，zaidianyuanjiagejingzhengjiliedejintian
，henduoshiyongzhewufajieshou，womenxiangguangdadianyuangongzuozhetuijianbijiaolianjiadeFeSiAl粉心。


圖8FeSiAl係列μe－f曲線

圖9FeSiAl粉心μ/μO－I曲線

圖10損耗曲線（f=20kHz）
　　
FeSiAl材料很早就被發現有優良的磁性能（可以和坡莫合金相比擬），高μ值（μo=8×104～10×104）
，低損耗
，Bs=1.1T
，但由於其脆性

，加工困難
，而沒有大量使用。我所經過幾年的研製開發，形成了係列的FeSiAl磁粉心產品

，μe=90±5，55±5，35±5
，目前進一步推向市場，圖8，9是它們的μe－f曲線和電流特性曲線，可以和2Mo80NiFe相比擬，從圖10中所介紹的損耗曲線中可以發現，它的損耗高於坡莫合金磁粉心，但遠低於鐵粉心，可用在PFC中作電感材料。
　　
功gong率lv因yin數shu校xiao正zheng技ji術shu將jiang得de到dao越yue來lai越yue廣guang泛fan的de應ying用yong，廣guang大da電dian源yuan工gong作zuo者zhe希xi望wang找zhao到dao合he適shi的de材cai料liao來lai滿man足zu電dian路lu的de要yao求qiu。筆bi者zhe本ben著zhe這zhe一yi目mu的de介jie紹shao有you關guan電dian感gan材cai料liao的de一yi些xie情qing況kuang及ji特te性xing。介jie紹shao了le鐵tie粉fen心xin在zaiPFC中的應用
，提出了抑製噪聲頻段不同，在差模中應用可選擇不同磁導率鐵粉心的觀點。根據有源PFC電感的特點

，指出使用磁粉心作為有源PFC電感鐵心優於使用功率鐵氧體開氣隙磁心，並介紹了FeSiAl材料的係列磁粉心，旨在增加廣大電源工作者選擇餘地，製造出體積更小
、溫升更低、價格更廉的功率因數校正器。