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APFC电感采用磁粉心的设计DesignofAPFCInductorUtilizingPowderCores石家庄腾飞磁材经销部黄永富(北京100016)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。Abstract:PowdercorehashighsaturationfluxdensityandexcellentmotionlinearityofDCbias.WhenpowdercoreisusedtopreparationofAPFCinductor,lowercorelosswillbeobtainedaslongascoresizesandcoilturnsareproperlyselected.关键词:饱和直流偏磁磁心损耗动态线性Keywords:Saturation,DCbias,Coreloss,Motionlinearity.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0.4π/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μH/N2。电感系数同有效磁导率之间有这样的关系:AL=μe·4π·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μr表示)。表1磁粉心磁心损耗(单位:mW/cm3)牌号f=50kHzf=100kHz计算公式B/10-4T225450675140280420MPP60μ145211116591270.7066f1.483(kHz)B1.889(kGs)125μ114610614581320.2938f1.708(kHz)B2.028(kGs)HF60μ157117414671641.586f1.423(kHz)B2.209(kGs)125μ32131299331373132.207f1.459(kHz)B2.034(kGs)MS18691512077168f1.477(kHz)B1.935(kGs)IP-5262300705542646209.07×10-10f1.26(Hz)B2.11(Gs)-1843238597361844616.44×10-10f1.18(Hz)B2.27(Gs)注:图中横坐标的数值以Oe作单位,系非法定单位,现换算为A.cm-1,1Oe=0.796A.cm-1图1MPP相对磁导率(μr)—直流磁场强度(H)特性曲线图2HI—FLUX相对磁导率(μr)—直流磁场强度(H)特性曲线图3SUPPER—MSS相对磁导率(μr)—直流磁场强度(H)特性曲线图4相对初始磁导率(μr)—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△I·102)/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μr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,η=95%,f=100kHz,Ui(ac)min=90V。将△I设定在0.2Ii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′μrμ移项后得AL′=LI2/(NI)2μr(2)从表2可以查到不同磁心不同μr的NI值。现选定μ为μr=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,μr=50%的NI为733代入公式得AL′为:AL′=(132×36.32)/(7332×0.5)=0.647表2几种磁粉心不同μr时的NI值磁编号OD×ID×HTle(cm)H/NIμr=30%μr=40%μr=50%心(cm3)H(Oe)NIH(Oe)NIH(Oe)NIMPP10915658.04×34.75×14.8614.300.087968774566374753586614278.94×47.96×13.9719.610.0641681061568744773348807558.04×34.75×14.8614.300.087914416381191354100113812306878.94×47.96×13.9719.610.0641144224611918561001138HF22506058.04×34.75×14.8614.300.087920022751601820123139930006078.94×47.96×13.9719.610.0641200312016024961231919MS22506058.04×34.75×14.8614.300.0879139158110912408697830006078.94×47.96×13.9719.610.064113921681091700861342IPT2251857.2×35.6×14.014.600.086121024391351568961115T3001877.2×49.0×12.719.800.063521033071352126961512T2255257.2×35.6×14.014.600.0861130151088102264743T3005277.2×49.0×12.719.800.06351302047881386641008表330%μ时磁心参数计算结果磁心No.μr=30%的NI要求AL'/μH·N-2磁心AL/μH·N-2AL'/AL/只磁心/只Bac/GsPFe/mWPCu/mW△T/℃86614210610.5150.1423.64211453996102348807516380.2160.0752.9322323781111341(HF)22506022750.1120.0751.5223919461148941(HF)30006031200.0600.0680.9128524171109230(MS)30006021680.1230.0681.8220428861135628T2251824390.0970.0671.4222847681403661T3005220470.1380.0801.72230116311259953n=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,μr=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=0.136μH/N2,。设定μ=50%,起始电感值为:132/0.5=264μH,N=44,Lo=263.3μH,NI=44×36.3=1597.2,H=1597.2×0.0641×0.7958=81.5A/cm查曲线得μr=49%。L31.3=263.3×0.49=129μH≈132μH下一步核算磁心损耗:Pcore=0.7066×1001.483×0.278241.889=58.3mW/cm3上述结果相当满意。由于MPP磁心价格较贵,能否用铁粉心来代替?可以选几只磁心算一算。(3)选用铁粉心T30052,μr=50%时NI为1008。代入公式得AL′为0.342,其AL为0.080,0.342÷0.080=4.3,也要4只,亦不可取。(4)选用铁粉心T30018,μr=50%时NI为1512。代入公式得AL′为0.152,其AL为0.058,0.152÷0.058=2.6,用3只,可以试试。3只共用,参数调整为:AL=0.174μH/N2;Ae=5.04cm2;Ve=100.2cm3;l/N=13.05cm;SA=273cm2。设定为μr=50%,起始电感值为264μH。N=38.9≈39,Lo=264.6μH,NI=1415.7,H=71.6A/cm,μ=52%,L36.3=264.6×0.52=137.6μH132μHPFe=106.74×100.2=10691.34mW温升较MMP高了15.6℃,还可以用。3对参数进行调整的效果前面4种磁心是在将μr定在50%,4种只有两种选上。如果将μr调为40%或30%,结果又将如何呢?表3列出了对7种磁心定位在μr=30%时的磁心计算结果。除866142要用4只外,488075用3只也能达到温升41℃的结果。HF300060用1只,温升只有30℃,而MS300060要用2只,温升只有28℃。铁粉心T30052,只用两只,温升为53℃,而两只T22518,温升稍高一些为61℃。T30018,要用3只,温升为42.4℃,见前文2(4)(μr=50%时)。7种磁心至少可以选用3种,有两种温升超过50℃,有两种要3只以上,要选用也是可以的。表4为几种磁心的特性参数供参考。后两列为#8和#7铜线在绕组填充系数为40%条件下的可绕匝数。实际使用时,超过20%还是绕得下的。4结语上述设计思路,先解决饱和影响问题,即可以确保在额定电流时,电感量不低于临界电感值。然后再进一步核算温升情况。具体操作时,可以采取列表3的办法,将可能选用的磁心都列出来,算出结果后,从中选用温升不高,价格又不高的那种。什么样的磁心才是可能选用的呢?根据本实例:Po=2000W,f=100kHz,Uo=400V,η=95%,Ui(ac)min=90V。表2中NI达到2000左右的,基本上都行。低于1000的基功率因数校正用电感材料磁心序号ALμH/N2Ae/cm2le/cmVe/cm3I/N/cmSA/cm20.4Wa/c.m#8的N(T)#7的
本文标题:APFC电感采用磁粉心的设计
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