探讨功率因数校正技术PFC中的电感材料选择

　　开关电源（硬开关方式）如今已经实用化、商品化，其突出的优点效率高，体积小，重量轻已被人们认可。但是负面效应决不可忽视，由于不可控整流方式网侧输入电流为非正弦周期电流，AC/DC变换器在投入运行时，将向电网注入大量的高次谐波。因此网侧的功率因数不高，仅有0.6左右，并对电网和其它电气设备造成严重谐波污染与干扰。在三相四线制供电方式中，由于多次谐波分量叠加，使中线电流增大，这是一个很棘手的问题。而如今计算机电源、UPS、程控交换机电源、电焊机电源、电子镇流器等早已高频开关化，其对电网的污染已达到必须治理的程度，因此功率因数校正技术正在成为热点，并将成为商家进入市场的关键。

　　从电工学原理讲，功率因数PF是指交流输入有功功率P与视在功率S的比值。

　　PF=P/S=UI1cosφ/UI2=DFcosφ（1）

　　式中：I1-基波电流有效值；

　　I2-电网电流有效值；

　　U-电网电压有效值；

　　φ-基波电流、电压的相位差；

　　DF（distortionfactor）为电流失真因子。

　　要使PF→1,必须对输入电流严重非正弦情况采取相应的措施，使DF→1,同时还必须使基波电流与电压相位差φ→0,才能使PF→1,所以功率因数校正实际上是对输入电流整形使其尽可能正弦化，同时改善电源系统的输入阻抗，使之尽量呈电阻性，使基波电流与电压同相位。这就是功率因数校正的基本思路。

　　开关电源的功率因数校正器（PFC）可分为两类，一类为有源PFC,由电感电容及电子元器件组成；另一类为无源PFC,一般采用电感补偿方法使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数。在校正电路中有源PFC较多采用高频升压电路功率因数开关调节器，通常采用Boost电路，基本电路拓朴见图1.

　　图1 升压型Boost电路图

　　图中Li为储能电感，看起来并不复杂的电路，但是如何能够合理选择元件及相关元件的材料是关键所在，本文将就PFC技术中的电感元件及材料开展讨论。

　　PFC的英文全称为“Power Factor Correction”,意思是“功率因数校正”,功率因数指的是有效功率与总耗电量（视在功率）之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量（视在功率）的比值。基本上功率因素可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因素值越大，代表其电力利用率越高。

　　计算机开关电源是一种电容输入型电路，其电流和电压之间的相位差会造成交换功率的损失，此时便需要PFC电路提高功率因数。目前的PFC有两种，一种为被动式PFC（也称无源PFC）和主动式PFC（也称有源式PFC）

　　被动式PFC一般分“电感补偿式”和“填谷电路式（Valley Fill Circuit）” “电感补偿方法”是使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数，被动式PFC包括静音式被动PFC和非静音式被动PFC.被动式PFC的功率因数只能达到0.7~0.8,它一般在高压滤波电容附近。 “填谷电路式”属于一种新型无源功率因数校正电路，其特点是利用整流桥后面的填谷电路来大幅度增加整流管的导通角，通过填平谷点，使输入电流从尖峰脉冲变为接近于正弦波的波形，将功率因数提高到0.9左右，显着降低总谐波失真。与传统的电感式无源功率因数校正电路相比，其优点是电路简单，功率因数补偿效果显着，并且在输入电路中不需要使用体积大重量沉的大电感器。

　　而主动式PFC则由电感电容及电子元器件组成，体积小、通过专用IC去调整电流的波形，对电流电压间的相位差进行补偿。主动式PFC可以达到较高的功率因数──通常可达98%以上，但成本也相对较高。此外，主动式PFC还可用作辅助电源，因此在使用主动式PFC电路中，往往不需要待机变压器，而且主动式PFC输出直流电压 的纹波很小，这种电源不必采用很大容量的滤波电容。现在我们先来探讨无源PFC中的电感材料选择

　　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静，对于这类材料的静越高越好，通常有高静系列的铁氧体磁心，静=4等类型，铁基超微晶材料静≥5×104,坡莫合金系列如1J79,1J851系列，静≥5×104.在选择金属磁性材料时必须注意频响问题（见图2）1J79或1J851系列的磁心静随频率上升而下降的幅度比较大，越薄的材料，静随频率下降的幅度比较小，设计时应注意这一点。

图