铁硅铝粉芯在功率因数校正电路上的应用
Application of Fe-Si-Al Magnetic Powder Core in Power-factor Correction Circuit

摘 要：电感铁芯是PFC电路中不可缺少的器件。电感材料的选择是影响PFC电路性能的关键因素之一。本文通过对不同铁芯电感材料性能与价格比较后，认为铁硅铝粉芯材料是APFC电路中最佳适用材料。
关键词：PFC（无源功率因数校正） APFC（有源功率因数校正） 铁硅铝磁粉芯 功率因数校正 开关电源
Abstract: Inductive iron core is essential to passive power-factor correction circuit
(PFC).The selectiong of inductive material is a key fator which has influence on the
performance of PFC. After comparing the performance and cost of different inductive
materials，we believe that Fe-Si-Al magnetic powder core material is the best material
in PFC，especially in active power-factor correction circuit(APFC).
Key Words: PFC
APFC Fe-Si-Al Magnetic Powder Core Power-factor Switching Power Supply

开关电源、电子镇流器等设备中的AC/DC变换都是桥式整流与电容滤波器组成。由于大电容存在，使整流二极管的导通角变狭窄。电流在交流电压的峰值附近通过，导致交变电流严重失真。该电流波包含大量谐波分量，设备功率因数只能在0.6左右。据分析，其中三次谐波为基波幅度的85%，五次为70%，七次为45%，九次谐波幅度为基波的25%。实际上它已成为一个宽频带的电磁干扰源，并污染电网，干扰其他用电设备的正常工作。特别是在三相四线大功率供电系统中，由于高次谐波分量的叠加，使中线电流增大，并超过相线电流，轻者造成中央空调停机、照明设备受障，重者造成变电站的电容、扼流圈过热而烧损等严重的停电事故。解决开关电源功率因数低的问题已成为开关电源发展、应用推广的关键。工业发达国家如美国、日本、德国等已经高度重视这个问题，并花大量的人力和物力研制各种器件来提高开关电源的功率因数。
1.功率因数校正与电感铁芯
功率因数定义为有效功率与视在功率之比。用数学公式表示为：
有效功率
其中为电网电压有效值，为基波电流有效值，为基波电压、电流位相角。
视在功率
其中为电网电流有效值，可表示为，为电网中第n次谐波电流值。定义总谐波失真系数THD为

这样功率因数可表示为：

以上公式表明功率因数PF由两部分决定：一是基波电流与基波电压的相位，另一是电流波形畸变。要提高功率因数就是使非正弦的电流波尽可能地正弦化，并与电压保持同位相才能使PF=1。换言之，提高功率因数也可从两方面着手，不同情况各有偏重。如对于相控制整流电路输入电流波形畸变比较小，功率因数提高主要采取降低电流与电压相位角，使=1。一般采用无源功率因数校正，即在感性负载前并入电容，容性负载前串入电感，构成无源滤波器，使整流器导通角变大。虽然这种方法结构简单，电容量大，开关器件价格低廉，因工作频率低要求电感量越大越好，但滤波电感不可能很大。因为高磁导率的材料在大交变电流下易饱和。所以一般都采用低磁导率、高饱和磁感应的材料如铁粉芯或开口的铁基非晶。要增加电感量，只有增加体积、重量。这使得设备体积庞大，笨重。同时大量的无源滤波器的接入还会引起系统动态性能恶化，甚至发生系统振荡。所以无源PFC一般在0.8左右。目前电力电子设备及开关电源存在大量的非线性负载，单靠无源功率因数校正无法再提高功率因数。直到20世纪90年代末期，有源功率因数校正APFC技术得到迅速发展。即在桥式整流器与输出电容滤波器之间加一个高频功率变换电路，强迫输入电流跟随电压正弦变化，使电流波相位与电压波相同来实现功率因数接近1。这种方法虽然控制系统复杂，但是由于电容电感是工作在高频，可小型化，不像无源PF那样需要大电感电容，所以体积小，功率因数可高达0.95以上。由于它是强迫电流跟随电压波形变化，消除了基波相位的漂移，它不仅能提高交流电源变换的功率因数，而且还能抑制谐波。目前APFC电路种类繁多，不管是可变回差控制还是恒频峰值电流控制、平均电流控制，用在APFC线路的高频电感中的电流波形都是脉动的，其频率与APFC中变换器频率相同，一般在20k～100kHz之间。其平均电流是随电压波变化的正弦波，如图一。I为平均电流波，为电感上电流波，V为电压波。

图一
可见线路中的电感是工作在较高的频率下。这就要求电感材料具有低的高频损耗和高的饱和磁感应强度。在实际中发现，目前作为APFC中的电感铁芯材料，不论从工作状态、高频特性及其性价比分析，最适合的电感铁芯材料是FeSiAl磁粉芯材料。
2.铁硅铝磁粉芯与其它磁粉芯性能比较
在无源PFC线路中的电感铁芯，因工作在较低频率下，常用低损耗高饱和磁感应的铁粉芯或开口的非晶态铁芯就可以了。但对于APFC线路中的电感铁芯材料来说，因其工作在高频100kHz，所以它不但要有高饱和磁感应、很低的高频损耗，还要求价格低廉，才能满足广大APFC用户的需要。现将几种软磁合金性能与价格比作一番比较，如表一所示。

从表一中可以看出FeSiAl材料磁性能与4Mo79Ni相当，但饱和磁化强度和电阻率比4Mo79Ni材料高。由于不含有贵重元素，所以价格只是它的1/3。FeSiAl材料没有纯铁高，价格没有纯铁低，但磁性能和电阻率远比纯铁好，FeSiAl更适合高频工作。可以认为把FeSiAl材料制成磁粉芯具有良好的磁性能。我所在上个世纪90年代初就开始对FeSiAl制粉工艺和粉末的包复工艺做了大量研究。目前，根据APFC市场的需要，我所已能生产系列FeSiAl粉芯。20世纪末21世纪初，日本大同公司也对FeSiAl制粉工艺对磁粉芯性能影响做了深入研究。可见铁硅铝粉芯的研制和生产已成为近年来金属软磁粉芯研究的热点之一。
为了进一步说明问题，我们选取具有相同磁导率的几种磁粉芯进行比较，如表二。

对这四种磁粉芯性能进行比较：
（1） 直流偏场与磁导率变化关系
直流偏场与磁导率变化关系如图二曲线所示。从图中可以发现FeSiAl磁粉芯随DC偏场增加，磁导率下降百分数最小在50奥斯忒时只降低7%，而高磁通密度（H）磁粉芯降低了18%，Mpp则降低了23%，-18磁粉芯降低26%。这就是说FeSiAl磁粉芯在高的直流偏场下仍有较高的磁导率，滤波效果好，不像其它磁粉芯那样衰减得快。虽然-18和高磁通密度磁粉芯的比铁硅铝高得多，同样磁导率条件下能承受的直流偏场都没有FeSiAl高，也就是说在相同尺寸下FeSiAl所承受的安匝数比-18和H都高。

图二
（2） 频率与磁导率关系
频率与磁导率关系曲线如图三。从图中不难看出，随着工作频率的升高，FeSiAl磁粉芯磁导率衰减最小，而H磁粉芯最大。说明FeSiAl在高达几MHz频率下工作仍比其它磁粉芯优良。这可能是FeSiAl材料的电阻率比其它材料高的缘故。

图三
（3） 损耗分析
在100KHz工作条件下，几种磁粉芯的损耗比较如图四所示。损耗最大的是-18磁粉芯，而FeSiAl磁粉芯的损耗，特别在高场下甚至比Mpp低。

图四
综合以上的性能分析，我们不难发现FeSiAl磁粉芯不但价格低于Mpp和高磁通密度的磁粉芯，而且高频性能也优于它们。在APFC研究的初期，外国选用的电感材料是Mpp磁粉芯。但因价格昂贵，难于推广和普及。后来选用E型铁氧体，但由于铁氧体温度稳定性差，低，同样工作频率下体积增大。又由于气隙存在，产生的电磁干扰等问题难以解决。目前，国内外的APFC用的铁芯逐步选用FeSiAl磁粉芯。它不但性能优越，而且价格低廉。这对APFC技术的发展与普及具有一定的推动作用。
3.结论
电感铁芯是功率因数校正电路中不可缺少的器件。结合线路的工作状态和对电感铁芯材料的要求，我们列举了现有的磁粉芯材料，并对它们的性能进行了比较和分析。认为在功率因数校正电路中，特别是在APFC电路中，电感器件材料以FeSiAl磁粉芯为最佳。因为它不但有优良的高频性能，而且材料中不含有贵重元素，价格相对于Mpp和高磁感磁粉芯都低，是最有发展前景的电感材料。它对APFC电路推广与普及有着重要作用。