開關電源功率因數(shù)校正電路設計與應用

1、 功率因數(shù)校正用電感材料1 引言開關電源(硬開關方式如今已經(jīng)實用化、商品化,其突出的優(yōu)點效率高,體積小,重量輕已被人們認可。但是負面效應決不可忽視,由于不可控整流方式網(wǎng)側輸入電流為非正弦周期電流,AC/DC變換器在投入運行時,將向電網(wǎng)注入大量的高次諧波,因此網(wǎng)側的功率因數(shù)不高,僅有0.6左右,并對電網(wǎng)和其它電氣設備造成嚴重諧波污染與干擾。在三相四線制供電方式中,由于多次諧波分量疊加,使中線電流增大,這是一個很棘手的問題。而如今計算機電源、UPS、程控交換機電源、電焊機電源、電子鎮(zhèn)流器等早已高頻開關化,其對電網(wǎng)的污染已達到必須治理的程度,因此功率因數(shù)校正技術正在成為熱點,并將成為商家進入市場的關

2、鍵。從電工學原理講,功率因數(shù)PF是指交流輸入有功功率P與視在功率S的比值。PF=P/S=UI1cos/UI2=DFcos(1式中:I1基波電流有效值;I2電網(wǎng)電流有效值;U電網(wǎng)電壓有效值;基波電流、電壓的相位差;DF(distortionfactor為電流失真因子。要使PF1,必須對輸入電流嚴重非正弦情況采取相應的措施,使DF1,同時還必須使基波電流與電壓相位差0,才能使PF1,所以功率因數(shù)校正實際上是對輸入電流整形使其盡可能正弦化,同時改善電源系統(tǒng)的輸入阻抗,使之盡量呈電阻性,使基波電流與電壓同相位。這就是功率因數(shù)校正的基本思路。開關電源的功率因數(shù)校正器(PFC可分為兩類,一類為有源PFC,

3、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(shù)。在校正電路中有源PFC較多采用高頻升壓電路功率因數(shù)開關調節(jié)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,看起來并不復雜的電路,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。2 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、線圈匝數(shù)相同的兩個電感線圈

4、,繞在同一個鐵心上,電流同方向流經(jīng)兩組線圈后,根據(jù)右手螺旋法則,在電感鐵心內產生兩個方向相反的磁場,由于流經(jīng)電流大小,線圈匝數(shù)完全相同,磁場強度強弱相當,因而完全抵消,不存在磁飽和問題,主要是要考慮電感鐵心材料的初始磁導率o,對于這類材料的o越高越好,通常有高o系列的鐵氧體磁心,o=4×103,6×103,8×103,1×104等類型,鐵基超微晶材料o5×104,坡莫合金系列如1J79,1J851系列,o5×104。在選擇金屬磁性材料時必須注意頻響問題(見圖31J79或1J851系列的磁心o隨頻率上升而下降的幅度比較大,越薄的材料,o

5、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(jīng)逐步認識到了磁粉心的優(yōu)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,硅鋼磁心加氣隙已越來越少。現(xiàn)在用于濾波器中差模電感鐵心大多為有效磁導率為6075的磁粉心,B500=1.34T,即在39788.5A/m(即5 00Oe的磁場強度下,磁感應強度達1.34T。 圖3磁心O隨頻率f的變化關系圖4是有效磁導率為75的鐵粉心的靜態(tài)磁滯回線,和鐵氧體材料相比,有高的Bs值,不易飽和,因此體積至少可減小一半,采用廉價的鐵粉作原料,并且不需要開口,沒有噪聲,

6、成本可大大降低,價格可以和鐵氧體比擬,以27×14×11的規(guī)格為例,它可以承受400安匝而不飽和,優(yōu)點突出。 圖4e=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e=75鐵粉心一種,圖5是鐵粉心系列e=75,e=55,e=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(e=35和上海鋼研精密合金器材研究所SF-33(e=37.5鐵粉心材料的插入損耗曲線,可見吸收峰出現(xiàn)在不同的頻率范圍內,因此除了考慮電感量大小,磁飽和問題,價格等因素外,還應該考慮抑制噪聲的頻率范圍,來選擇不同型

7、號的鐵粉心。 圖5有效磁導率與頻率的關系曲線 圖6兩種鐵粉心的插入損耗曲線3 有源PFC中的電感材料選擇在功率放大的功率因數(shù)校正中基本上是采用升壓式變換電路,而升壓電感是串在輸入回路中,電感電流等于輸入電流,只要控制電感電流就可以達到控制輸入電流。功率開關器件的切換速率S遠大于工頻o(S=Ko,K1;L值大得足以使電感中的電流連續(xù),當功率器件開關切換脈沖占空比的變化遵循正弦規(guī)律時,即所謂正弦波脈寬調制(SPWM時電感中流過的電流為:iL=UpsinotIpsinot/Upsinsinot+(D/K(2當K1時,iL=Ipsinot(3即iL與輸入電壓一樣,都是正弦波,相位又相同,從而實現(xiàn)了DF

8、=1,cos=1,達到功率因數(shù)校正的目的。從圖7中可見,S的控制信號實際上受控于輸入電壓,開通時由全波整流電路為L充電,關斷后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,對于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(shù)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(shù)下和

9、鐵粉心相比截面將增加1倍左右,因而體積勢必增大。表1不同材料的Bs值比較材料 Fe粉心 80NiFe FeSiAl Mn-Zn鐵氧體另外由于加開氣隙,在鐵氧體開氣隙處表面,形成表面渦流,造成鐵氧體磁心局部升溫,使鐵氧體磁心發(fā)熱,當溫度超過鐵氧體居里點時,有效磁導率e急劇下降為0,這也是功率鐵氧體磁心用作電感不利的一面,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(tài)度,可能主要就是這個原因吧。國外文獻對于 PFC 電感材料一般都介紹坡莫合金系列，筆者以為，2Mo80NiFe 磁粉系列（e=160，14 7，125，60 等）有優(yōu)良的性能，其頻率特性、電流特性，損耗特性均為目

10、前最高水平，而且系列化，有可 選擇余地，但是價格比較昂貴，在電源價格競爭激烈的今天，很多使用者無法接受，我們向廣大電源工作 者推薦比較廉價的 FeSiAl 粉心。 圖 8FeSiAl 系列 ef 曲線 圖 9FeSiAl 粉心 /OI 曲線 圖 10 損耗曲線（f=20kHz） FeSiAl 材料很早就被發(fā)現(xiàn)有優(yōu)良的磁性能（可以和坡莫合金相比擬），高 值（o=8×10410×1 04），低損耗，Bs=1.1T，但由于其脆性，加工困難，而沒有大量使用。我所經(jīng)過幾年的研制開發(fā)，形成了 系列的 FeSiAl 磁粉心產品，e=90±5，55±5，35±5，目前進一步推向市場，圖 8，9 是它們的 ef 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(fā)現(xiàn)，它的損耗高于 坡莫合金磁粉心，但遠低于鐵粉心，可用在 PFC 中作電感材料。 4 結論 功率因數(shù)校正技術將得到越來越廣泛的應用， 廣大電源工作者希望找到合適的材料來滿足電路的要求。 筆者本著這一目的介紹有關電感材料的一些情況及特性