中高频硅钢PFC电感设计与优化

陈 怡，孔庆刚

（1.浙江工业大学 信息工程学院，浙江 杭州 310023；2.梅兰日兰电子（上海）制造有限公司，上海 201319）

中高频硅钢PFC电感设计与优化

陈 怡1，孔庆刚2

（1.浙江工业大学 信息工程学院，浙江 杭州 310023；2.梅兰日兰电子（上海）制造有限公司，上海 201319）

硅钢是一种价格低、饱和磁通密度高、居里温度高、易成型的磁性材料，目前多应用于低频大功率的场合.现研究硅钢在中高频大功率UPS系统中的应用—硅钢PFC电感.采用含分布式气隙的硅钢磁芯以及不同金属材质的绕组设计电感，综合考虑损耗、磁通密度、温升、成本等因素并以低成本为优先，借助电磁和热仿真工具获得最优的电感设计方案.基于设计优化结果制作了3个硅钢PFC电感，并应用于一中高频大功率UPS系统中的3相4线Boost PFC电路.它们的测试结果与仿真结果基本一致，满足实际应用要求.

UPS系统；硅钢；PFC电感；分布式气隙；仿真

UPS系统能保障供电的稳定和连续，并具有稳压、稳频、净化电源等功能，在工业中得到广泛应用.目前，UPS系统正朝着中高频大功率的方向发展.PFC电感是中高频大功率UPS系统中非常重要的元件之一，它影响着包括PFC电路在内所有电路的元件选取，关系着整个系统的效率、电流谐波、EMI等性能.而且，PFC电感的损耗占整个系统总损耗的比重很大，是整个系统散热设计必须重点考虑的.此外，PFC电感的价格不菲，也是整个系统成本评估必须重点考虑的.

硅钢［1－5］是一种铁硅系合金.和其他常用的软磁材料（如：坡莫合金、铁氧体、非晶、纳米晶等［1－5］）相比，它具有价格低、饱和磁通密度高、居里温度高、易成型等优点，在低频（＜1 kHz）大功率领域应用广泛.目前，关于硅钢的研究和应用也正朝着中高频大功率的方向发展，关键是有效地控制其损耗以适应中高频的工作，比如：减少硅钢片厚度和增加硅含量都能有效地降低硅钢的中高频损耗［4－5］.随着工艺和技术的不断发展，采用价格较低的硅钢为低成本的中高频大功率UPS系统制作PFC电感是可行的.

1 中高频大功率UPS系统中的硅钢PFC电感设计和优化

研究采用硅钢（一种低价格的磁芯材料）为一中高频大功率UPS系统设计和优化PFC电感.图1所示为该系统的3相4线Boost PFC电路，开关频率fs为5 kHz，总容量为130 k VA，3相输入电压有效值VA，VB和VC均为277 V，3相输入电压频率fA，fB和fC均为50 Hz，输出电压Vo为800 VDC.它采用电流连续的工作模式，在电压／电流双环控制下实现稳定的输出电压和近似正弦波的输入电流以及高功率因数PF和低谐波分量.

图1 UPS系统中的3相4线Boost PFC电路Fig.1 Three-phase four-wire boost PFC circuit in a UPS system

图1所示的3相4线Boost PFC电路，可简化成3个相对独立的单相Boost PFC电路.以A相为例进行分析.A相输入电压vA■＝ 2VAsin（2πfAt）.稳态工作时，电感LA满足伏秒平衡关系式（1）.

式中：dA为开关SAp的占空比，（1－dA）为开关SAn的占空比.由式（1）可得

在电压／电流双环控制下，该PFC电路的PF≈1.流过LA的电流iLA可近似由正弦波的低频分量iLA－lf（频率同fA）和三角波的高频分量iLA－hf（频率同fs）2部分组成，表达式分别为

式中：PA为A相输入功率；N为整数.图2所示为iLA的理想波形.同理，B相和C相也可得到上述类似的结果.

图2 电感电流i LA的理想波形Fig.2 Ideal waveform of the inductor current i LA

该系统要求硅钢PFC电感LA，LB和LC在上述整个工作范围内满足电感值L＝450μH±5%以及最高温度低于180℃并且实现低成本.硅钢PFC电感主要由2部分组成：硅钢磁芯和金属绕组.由于硅钢的种类繁多，首先需要确定合适的硅钢材料制作磁芯.在确定磁芯材料之后，为防止磁芯饱和还需要设计气隙.此外，不同金属绕组的物理性能以及价格也各不相同，在设计和优化方案时这一点也需要重点考虑.

在整个设计和优化过程中，我们借助电磁仿真工具 ANSOFT／MAXWELL［6］精确地模拟了所设计电感的电磁场分布，得到的仿真数据包括：电感值L、磁芯损耗Pc、绕组损耗Pw、总损耗P、磁芯中最大磁通密度Bm等.为确保所设计电感能安全地长时间工作，我们还借助热仿真工具ANSYS／ICEPAK［7］对所设计的电感进行了温升仿真实验.综合考虑损耗、磁通密度、温升以及成本等各项指标，并以低成本为优先获得最优方案.

1.1 硅钢PFC电感的设计

电感的磁芯损耗直接和磁性材料有关.硅钢种类繁多，不同的硅钢其损耗表现不同［4－5］.硅钢按组织结构不同可分为：取向硅钢和无取向硅钢；按薄带厚度不同可分为：普通薄带硅钢和超薄带硅钢；按硅含量不同可分为低硅硅钢和高硅硅钢.一般地，相同薄带厚度的取向硅钢比无取向硅钢每单位重量的中高频损耗大、价格高，但是其磁导率高、饱和磁通密度大，更适合制作电感和变压器等磁性元件不但效率高而且体积小.目前，超薄带硅钢的薄片厚度可达到5μm，和普通薄带硅钢相比中高频下它的磁滞损耗和涡流损耗都更小，但是其饱和磁通密度不高、制作工艺复杂、成本很高，适用的场合还很有限.新近发展起来的硅含量6.5%的高硅硅钢［3，5］具有比低硅硅钢更小的高频损耗，而且磁致伸缩系数趋近于零、音频噪声很小.硅含量的梯度分布技术令高硅硅钢的损耗进一步减小，其电阻率高、磁导率高、磁通和涡流均集中于表面、工作频率更高.目前，高硅硅钢大批量生产的工艺还不成熟、价格过高，尚无法实现应用的普及.

为了实现低成本的中高频大功率UPS系统，我们优先选用由薄带厚度适中（0.23 mm）、价格较便宜的JFE低硅含量取向硅钢［4］制成的C型磁芯来设计PFC电感，结构如图3所示.

图3 硅钢PFC电感结构示意图Fig.3 Structure of a silicon steel PFC inductor

由于硅钢的磁导率很高，在为中高频大功率UPS系统设计PFC电感时为防止磁芯饱和就需要加入较大的气隙.若采用集中式的气隙，气隙附近穿越绕组的扩散磁通将会非常明显，中高频下由磁场边缘效应［6，8－10］引起的这部分绕组损耗将很突出，严重的话还会导致整个电感无法安全地长时间工作.为有效地减小气隙附近的扩散磁通，可采用分布式气隙［6，10］把单个集中的气隙分成几等分分散于磁芯各处，而且分布的气隙对降低磁芯的涡流损耗也有一定帮助.此外，绕组线圈的布置还应尽可能地远离气隙，减小被扩散磁通穿越的部分.从理论上讲，将硅钢磁芯的气隙无限分割分散可把由磁场边缘效应引起的这部分绕组交流损耗降至最低，但是这在实际中很难实现.因此还需要考虑加工难易度和成本等因素，合理设计分布式气隙的数目.

我们取电感满载工作时的最大磁通密度Bm＝0.62 T（远小于JFE低硅含量取向硅钢的饱和磁通密度），获得一组硅钢PFC电感设计方案：磁芯气隙总长lg＝11.2 mm、绕组匝数NL＝34、并采用铝箔绕组.通过ANSOFT／MAXWELL仿真，发现该组方案中仅磁芯分布气隙的数目不同，电感的损耗表现竟相差很大，如图4所示.在集中气隙情况下（即分布气隙数目为1）电感的绕组损耗远远大于磁芯损耗，而在分布气隙情况下它的绕组损耗明显小很多.随着分布气隙数目的增加，电感的绕组和磁芯损耗均呈下降趋势.从图5可以看出，当分布气隙数目达到4以后电感磁芯气隙附近的扩散磁通已不明显，再加上绕组尽量远离气隙，使得由磁场边缘效应产生的这部分绕组损耗的下降趋势趋于平缓.但是随着分布气隙数目的增加，电感的制造成本会大幅增加、制造效率也会大幅降低.综合考虑损耗和成本2大因素，我们优先选择分布气隙数目等于4的硅钢磁芯气隙方案.

图4 硅钢PFC电感满载损耗的仿真值Fig.4 Simulated full-load losses of the silicon steel PFC inductors

图5 硅钢PFC电感满载工作时磁通分布的仿真图Fig.5 Simulated full-load magnetic flux distribution of a silicon steel PFC inductor

硅钢PFC电感在中高频大功率UPS系统规定的散热条件（强迫风冷方式）下进行散热，必须满足温升要求.我们采用热仿真工具ANSYS／ICEPAK进一步考察该组分布气隙数目等于4的硅钢PFC电感设计方案在环境温度40℃下电感满载工作时温度到达稳定后的温度分布.从电感的温度分布图6可知，绕组的温度为121℃（即温升为81 K），而磁芯的温度则要高于绕组的温度.就硅钢磁芯本身的温度而言，顶部最高、中部次之、底部最低，这与UPS系统中散热风扇位于电感下方自下而上送风散热的实际结果相符.整个电感的最高温度为157℃，低于电感制作材料Class H等级最高允许温度180℃且裕量充足（＞20℃）.这说明该组硅钢PFC电感设计方案合理可行.

图6 硅钢PFC电感满载工作时温度分布的仿真图Fig.6 Simulated full-load temperature distribution of a silicon steel PFC inductor

1.2 硅钢PFC电感的优化

除了上述设计方案（即表1中的方案3），符合要求的硅钢PFC电感设计方案还有许多（如表1所示）.它们在损耗、磁通密度、温升以及成本等各项指标上的表现各不相同.我们需要综合考虑并以低成本为优先，从中获得最优方案.

表1列出了10组可行的硅钢PFC电感设计方案在环境温度40℃下电感满载工作时电感值L、磁芯损耗Pc、绕组损耗Pw、电感总损耗P、最大磁通密度Bm和最大温升（Tm的仿真值.这些方案的磁芯分布气隙数目均等于4，但绕组材料、气隙总长lg、绕组匝数NL略有不同.从表1中可知，尽管由于铜的导电、导热性能好使得采用铜箔绕组的5个方案（即方案6－10）在损耗、温升方面占优势，但是铝的重量轻、价格低（目前铝价约为铜价的1／4），在满足最大温升小于120 K的前提下采用铝箔绕组的方案1，2和3在工程实用性和成本方面则更具优势.与方案1，2和3相比，方案4和5虽然也满足电感满载工作时最高温度小于180℃但是温升的裕量略显不足.方案2是方案1，2和3中满载工作时电感总损耗最低、温升最小的.但若进一步考虑电感超载工作的可能，我们发现当电感电流有效值达到470 A时，方案1，2和3的电感仿真值分别减小至157μH，232μH和342μH，均表现出不同程度的磁芯饱和现象，其中以方案3的程度最浅.综合考虑损耗、磁通密度、温升、成本等因素并以低成本为优先，我们认为方案3是10组可行方案中最为理想的.

表1 不同硅钢PFC电感满载工作时的仿真数据Table 1 Simulated full-load data of different silicon steel PFC inductors

2 实验验证

根据优化设计方案3制作了硅钢PFC电感样品LA，LB和LC.经测量，在电感电流有效值0～200 A范围内样品LA，LB和LC的电感量分别为467μH、453μH和459μH.尽管电感样品的实际测量值与其Ansoft／MAXWELL仿真值464μH之间存在着一些误差，但是仍符合（450±5%）μH的实际要求.

在环境温度40℃条件下，UPS系统满载时测得样品LA，LB和LC各主要部分温度都达到稳定后的温升如表2所示.由于UPS系统中3个电感样品的散热条件略有差异，它们的温升表现也略有不同.以样品LA的温升最大，样品LB的温升次之，样品LC的温升最小.和ANSYS／ICEPAK仿真结果相似，它们的温升都是磁芯顶部最大，磁芯中部次之，绕组最小.满载时3个电感样品的实测最大温升均小于120 K，温升裕量充足，可保证安全地长期工作.

3 结 论

研究了硅钢在中高频大功率UPS系统中的应用，为实现低成本选用了薄带厚度适中、价格较便宜的低硅含量取向硅钢磁芯设计PFC电感.为有效减小因磁场边缘效应引起的这部分绕组损耗，硅钢磁芯采用了分布式的气隙结构.此外，不同金属材质的绕组也得到了应用.借助ANSOFT／MAXWELL电磁仿真和ANSYS／ICEPAK热仿真工具，综合考虑损耗、磁通密度、温升、成本等因素并以低成本为优先获得了最优的电感设计方案.基于设计优化结果制作了硅钢PFC电感.它们的测试结果与仿真结果基本一致，满足实际应用要求.

本文得到了浙江工业大学高层次引进人才科研启动专项基金项目（103007129）的资助.

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Design and optimization of medium-and high-frequency silicon steel PFC inductors

CHEN Yi1，KONG Qing－gang2
（1.College of Information Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310023，China；2.MGE Manufacturing Shanghai Co.，Ltd.，Shanghai 201319，China）

Silicon steel is a kind of magnetic material with low cost，high saturation magnetic flux density，high Curie temperature and easy shaping.Presently，it is mostly used in the lowfrequency and high-power applications.In this paper，the silicon-steel PFC inductors for the medium-and high-frequency and high-power UPS systems are studied.Silicon steel cores with distributed air gaps and windings made of different metals are applied in the inductor design.The influences of power loss，magnetic flux density，temperature rise，cost and so on are considered.Taking low cost as a priority，an optimal design scheme was obtained through electromagnetic and thermal simulation tools.Based on the optimization results，three silicon steel PFC inductors were implemented and applied into the three-phase four-line Boost PFC circuit of a medium-and high-frequency and high-power UPS system.The test results of them are basically same with the simulated results.They satisfy the requirements of practical applications.

UPS system；silicon steel；PFC inductor；distributed air-gap；simulation

TM46；TM55

A

1006-4303（2012）01-0055-05

2010-11-12

陈 怡（1977—），女，浙江杭州人，讲师，博士后，主要从事电力电子技术及磁集成技术研究，E-mail：eeyzchen＠zjut.edu.cn.

（

刘 岩）