贴士：开关电源中功率因数校正如何选用电感材料

1 无源PFC中的电感材料选择

无源PFC是一个由电感、电容组成的低通滤波器，如图2所示是一种低通滤波器的电路原理图，其中L1是共模电感，L2，L3是差模电感。

共模电感是完全对称、线圈匝数相同的两个电感线圈，绕在同一个铁心上，电流同方向流经两组线圈后，根据右手螺旋法则，在电感铁心内产生两个方向相反的磁场，由于流经电流大小，线圈匝数完全相同，磁场强度强弱相当，因而完全抵消，不存在磁饱和问题，主要是要考虑电感铁心材料的初始磁导率μo，对于这类材料的μo越高越好，通常有高μo系列的铁氧体磁心，μo=4×103，6×103，8×103，1×104等类型，铁基超微晶材料μo≥5×104，坡莫合金系列如1J79，1J851系列，μo≥5×104。在选择金属磁性材料时必须注意频响问题(见图3)1J79或1J851系列的磁心μo随频率上升而下降的幅度比较大，越薄的材料，μo随频率下降的幅度比较小，设计时应注意这一点。

图1 低通滤波器电路原理图

差模电感主要要解决磁饱和问题，在实际使用过程中，广大电路工作者已经逐步认识到了磁粉心的优越性，使用铁心加气隙的作法(铁氧体磁心加气隙，非晶磁心加气隙，硅钢磁心加气隙)已越来越少。现在用于滤波器中差模电感铁心大多为有效磁导率为60～75的磁粉心，B500=1.34T，即在39788.5A/m(即500Oe)的磁场强度下，磁感应强度达1.34T。

2 磁芯u0随频率f的变化关系

图3是有效磁导率为75的铁粉心的静态磁滞回线，和铁氧体材料相比，有高的Bs值，不易饱和，因此体积至少可减小一半，采用廉价的铁粉作原料，并且不需要开口，没有噪声，成本可大大降低，价格可以和铁氧体比拟，以27×14×11的规格为例，它可以承受400安匝而不饱和，优点突出。

图3 μe=75铁粉心得B-H曲线

但是值得商榷的是，可选择作为滤波器的差模电感的磁粉心不仅仅是μe=75铁粉心一种，图5是铁粉心系列μe=75，μe=55，μe=35磁导率随频率变化的曲线，可见它们磁导率随频率上升而下降的趋势不同。图6是MICROMETARS公司-8(μe=35)和上海钢研精密合金器材研究所SF-33(μe=37.5)铁粉心材料的插入损耗曲线，可见吸收峰出现在不同的频率范围内，因此除了考虑电感量大小，磁饱和问题，价格等因素外，还应该考虑抑制噪声的频率范围，来选择不同型号的铁粉心。

图5 两种铁粉心的插入损耗曲线

2 有源PFC中的电感材料选择

在功率放大的功率因数校正中基本上是采用升压式变换电路，而升压电感是串在输入回路中，电感电流等于输入电流，只要控制电感电流就可以达到控制输入电流。功率开关器件的切换速率ωS远大于工频ωo(ωS=Kωo，K　1);L值大得足以使电感中的电流连续，当功率器件开关切换脉冲占空比的变化遵循正弦规律时，即所谓正弦波脉宽调制(SPWM)时电感中流过的电流为：

当K=1时，

iL=Ipsinωot(3)

即iL与输入电压一样，都是正弦波，相位又相同，从而实现了DF=1，cosφ=1，达到功率因数校正的目的。从图7中可见，S的控制信号实际上受控于输入电压，开通时由全波整流电路为L充电，关断后L上的电压与输入电压叠加为电容C和负载提供能量，因此PFC中的电感是一个储能电感而且电感量又必须足够的大，在50Hz基波电流上又叠加了高频成份，对于该电感铁心材料提出了相当高的要求，即在强的基波电流作用下不饱和又在高频下有低的损耗。

图6 基本升压型有源功率因数校正电路

目前扼流圈铁心使用的材料主要有两类，一类是功率铁氧体磁心加开气隙，另一类是磁粉心。表1是它们的饱和磁感应强度(Bs)的比较，其中锰锌软磁铁氧体Bs值最低，为0.5T，约为铁粉心的一半左右，因此在同样安匝数下和铁粉心相比截面将增加1倍左右，因而体积势必增大。

表1不同材料的Bs值比较

另外由于加开气隙，在铁氧体开气隙处表面，形成表面涡流，造成铁氧体磁心局部升温，使铁氧体磁心发热，当温度超过铁氧体居里点时，有效磁导率μe急剧下降为0，这也是功率铁氧体磁心用作电感不利的一面，许多电源工作者对铁氧体磁心在有源PFC线路中用作储能电感铁心持否定态度，可能主要就是这个原因吧。

关于磁粉心在PFC电感中的应用，已被很多电源工作者所认可。目前磁粉心材料大致有铁粉心，Sendust粉心(FeSiAl)，坡莫合金粉心(P.P.M)，从损耗曲线上可以看出，P.P.M(μe=60)及Sendust(μe=60)和铁粉心(μe=35)相比，前二者约为后者的1/10～1/6，因此，铁粉心可以排除，无法用作PFC电感材料，除非大大增加体积，降低工作B值。

国外文献对于PFC电感材料一般都介绍坡莫合金系列，笔者以为，2Mo80NiFe磁粉系列(μe=160，147，125，60等)有优良的性能，其频率特性、电流特性，损耗特性均为目前最高水平，而且系列化，有可选择余地，但是价格比较昂贵，在电源价格竞争激烈的今天，很多使用者无法接受，我们向广大电源工作者推荐比较廉价的FeSiAl粉心。

图9 损耗曲线(f=20kHz)

FeSiAl 材料很早就被发现有优良的磁性能(可以和坡莫合金相比拟)，高μ值(μo=8×104～10×104)，低损耗，Bs=1.1T，但由于其脆性，加工困难，而没有大量使用。我所经过几年的研制开发，形成了系列的FeSiAl磁粉心产品，μe=90±5，55±5，35±5，目前进一步推向市场，图7，8 是它们的μe-f曲线和电流特性曲线，可以和2Mo80NiFe相比拟，从图10中所介绍的损耗曲线中可以发现，它的损耗高于坡莫合金磁粉心，但远低于铁粉心，可用在PFC中作电感材料。

3 结论

功率因数校正技术将得到越来越广泛的应用，广大电源工作者希望找到合适的材料来满足电路的要求。笔者本着这一目的介绍有关电感材料的一些情况及特性。介绍了铁粉心在PFC中的应用，提出了抑制噪声频段不同，在差模中应用可选择不同磁导率铁粉心的观点。根据有源PFC电感的特点，指出使用磁粉心作为有源PFC电感铁心优于使用功率铁氧体开气隙磁心，并介绍了FeSiAl材料的系列磁粉心，旨在增加广大电源工作者选择余地，制造出体积更小、温升更低、价格更廉的功率因数校正器。