0 引言
随着当前人们对电源质量的要求不断提高，绿色能源的呼声越来越高。因此能够抑制谐波污染，提高电源质量的有源功率因数校正技术（APFC）的应用日益广泛，对其的性能要求也是不断提高。磁性元件是构成各种电力电子装置的重要基础，在有源功率因数校正电路（APFC）磁性元件中，磁心材料、型式的选择以及磁性元件的具体参数设计同样对电路的性能有极大的影响。
针对APFC电路中磁性元件的重要性，本文以最常用的BOOST PFC电路为例，指出了其中磁性元件的类型和适用的磁心材料，并给出了各个磁性元件的详细设计方法。
1 PFC中的磁性元件及其作用
以最常用的BOOST PFC电路为例，一个完整的PFC电路如图1所示，其中的磁性元件有Boost储能电感、EMI滤波电感（共模电感和差模电感）以及抑制输出二极管反向恢复电流的尖峰抑制器。另外在新型的无源无损软开关PFC和ZVT有源软开关PFC电路中，辅助谐振电感也是一个十分重要的磁性元件，如图2所示（以ZVT有源软开关PFC电路为例）。

图1  基本的BOOST PFC电路中的磁性元件

　　图2  ZVT有源软开关PFC电路的谐振电感
各种磁性元件在电路中的作用不同，其对磁心材料的要求和具体的设计也各不相同。如果磁心材料选择不当会大大影响PFC的性能、体积和重量等，甚至系统根本无法正常工作。各个磁性元件的作用及其对磁心材料的要求如表1所示。
表1  PFC中磁性元件的作用和对磁心材料的要求
磁性元件 作用 对磁心材料的要求
Boost储能电感 存储能量，完成电能的转换 高饱和磁感应强度，低磁导率，低损耗，偏磁影响小，绕线容易，高温度稳定性
EMI滤波器共模电感 滤波，组成共模滤波器 高磁导率，低损耗
EMI滤波器差模电感 滤波，组成差模滤波器 高饱和磁感应强度，高磁导率，低损耗
尖峰抑制器 抑制开关元件的电流尖峰 高磁导率，高矩形比，低损耗
谐振电感 与谐振电容一起组成谐振回路 低磁导率，高饱和磁感应强度，低损耗，高温度稳定性

3 PFC中的磁性元件的设计
通过以上对比分析，适合Boost储能电感的磁心材料有MnZn铁氧体材料、非晶材料、金属磁粉心材料。MnZn铁氧体材料具有高频损耗小、价格低的优势，但是饱和磁通密度 Bs低，易饱和，非晶材料虽然 Bs高，磁导率高，但是价格较高，同时两者需要开气隙，会产生 EMI问题，设计也比较烦琐；金属磁粉心材料具有高 Bs的特性，多为环型闭合磁路，磁粉心内分布有天然气隙，不易饱和，设计计算简便。适合制作高频 APFC的金属磁粉心材料现在有三种，铁镍 50磁粉心、铁镍钼磁粉心、铁硅铝磁粉心，考虑价格因素，铁硅铝磁粉心最适合制作APFC电感器。
3.1 Boost储能电感器的设计
（1）计算Boost升压电感器的电感值
Boost升压电感的大小，决定了输入端纹波电流的大小，可以按纹波电流大小来选择电感值。若允许较大的纹波，则可减小电感值。通常纹波电流（峰-峰值）取最大峰值电流的20%，峰值电流的最大值出现在最低输入电压及最大负载时。取峰值功率等于2倍的平均功率，输入交流峰值电压为倍的有效值电压，设效率为95％，则有
输入峰值电流IPK为：                     （1）
纹波电流（峰-峰值）取最大峰值电流的20%：
确定IPK时的占空比：                    （2）
升压电感的电感量L为（fS为开关频率）：
                                                         （3）
这样计算得到的是电感满载工作时电流连续的临界电感值，实际的静态电感数值一般取此计算值的2倍左右。
（2）磁心规格的选择
用AP法来确定磁芯的规格。
电感器可储能量：       （4）
计算面积积AP值:                       （5）
其中：BW为工作磁感应强度，取BW= 0.4T，K0为窗口面积使用系数，一般取为0.4，J为电流密度，取500A/cm2。
根据计算的AP值，然后查磁心手册，取AP值略大于计算值。
（3）线径及电感匝数计算
考虑电流密度，绕线的难易以及导线的集肤效应等选择所需的线径。由下面的公式计算电感匝数：
                               （6）
其中L0为静态电感量，μ磁芯的磁导率，N为匝数，Ae磁芯截面积，Ie磁芯磁路长度。
（4）电感量校验：
上述电感值L为静态电感值，当电感中流过不同电流时，其μ值是不同的，故应在实际工作电流下对电感L值进行校验，即求出动态电感值。动态电感量要大于临界电感值。
PFC电感损耗是否合理，直接关系系统效率及可靠性，由于使用环形磁心，铜线包围铁心，导线易于散热，而磁心不易散热，故设计中应使铜损大于铁损，一般设计铜损为铁损的2～3倍。
3.2 EMI滤波电感的设计
（1）共模滤波电感的设计
PFC产生的共模噪声频率范围从10kHz～50MHz甚至更高，为了对这些噪声有效的衰减，那么在这个频率范围内，共模电感器就必须提供足够高的阻抗。因此高磁导率的锰锌铁氧体和非晶材料是非常适合的。共模电感器需要在一个磁芯上绕制两组电流方向相反的导线。
设计要求是滤波器在500KHz～10MHz之间提供最小为60dB的衰减。滤波器设计从估计开关频率处所需的衰减量开始，假设在60KHz处所要达到的衰减量为24dB，这要求共模滤波器的转折频率为：
                                 （7）
式中，fC——滤波器转折频率
            fs——PFC工作频率
式中，Att为开关频率处所需衰减量。
阻尼系数ζ不应小于0.707，保证在转折频率处有-3dB的衰减量，不会因振荡而产生噪声。
取输入阻抗为50Ω，计算滤波器的共模电感和“Y”连接的电容值：
                                                      （8）
                                            （9）
实际中，电容值不允许太大，能通过交流漏电流测试的最大电容值是0.05μF，据此选择“Y”电容值，一般选用高压陶瓷电容。并根据式（8）校正电感值。
共模电感一般选用超微晶磁环，导线线经由下式决定：
                                （10）
计算所需匝数:                            （11）
（2）差模滤波电感
对于抑制差模噪声的电感器，要求磁芯材料在偏磁场下仍然能够保持磁导率指标。
适合制作差模电感器（扼流圈）的磁心材料是具有高Bs值的金属磁粉心磁环和开路铁氧体磁芯，但是考虑现在的EMI和EMC的要求，使用铁镍钼、铁镍50、铁硅铝三种闭合磁路的金属磁粉心磁环是最合适的，因为这三种磁心材料在偏磁场下具有极好的电感量保持能力。
3.3 尖峰抑制器的设计
尖峰抑制器要求铁芯材料具有较高的磁导率，以得到较大的电感量；高矩形比可使铁芯饱和时，电感量应迅速下降到零；矫顽力小、高频损耗低， 否则铁芯放热不能正常工作。
设计的尖峰抑制器必须满足下述条件：
                           Φ·S≥1.5trrURIF                           （12）
式中：
Φ为磁通；
S为磁心的截面积；
trr为二极管的反向恢复时间；
UR为二极管的反向电压；
IF为流过二极管的电流。
计算导线线径
                                          （13）
计算所需绕制的匝数
                                            （14）
3.4 ZVT有源软开关PFC电路的谐振电感的设计
谐振电感的磁心材料要求适应高频大电流工作，低损耗。适用的磁心材料是磁粉心（MPP、铁硅铝、铁镍钼等）和铁氧体磁心。以ZVT有源软开关PFC电路的谐振电感为例，谐振电感的设计如下：
电感电流的上升时间是由二极管的反向恢复时间决定的，则有：
　　                                           （15）
　　                                                        （16）