7  IGBT-SPWM变流储能电感器的空气隙效应

很明显可以得到可供高频机型UPS设计师设计IGBT变流用储能升压电感器的余地是很大的，但是（5.4）式是不可能任意加大的，它受制于磁饱和现象。有一种看法认为，对大功率UPS“至今仍未能找到……具有大磁通量的磁性材料，导致该电感温升偏高”而成“可靠性的隐患”。这是一个很有意思的问题，我们来仔细分析这个问题。

由Maxwell方程的积分形式，可导出铁磁材料与空气的边界条件如下：

（7.1）

式中l是磁路长度，下标f表示自由电流或电荷。在线圈中放入介质，那么介质中的磁感应强度B由线圈导线电流与介质中的分子电流之和所感生。这个边界条件对铁氧体电感器储能性能非常重要，它指出在铁氧体磁路中有一空气隙，其边界上的B是连续不变的。

图7.1  铁氧体与空气隙的边界条件

8  铁氧体磁芯-空气隙串联储能功率放大SMAGPA

铁氧体最高频率可以达到1 MHz，电阻率高，高频损耗小，但是其饱和磁感应比较低，而且受温度影响大，在常温（25℃）的0.42T到100℃时的0.34T。铁氧体目前有多种材料和磁芯规格，而且价格比其它材料低，是目前开关电源中应用最为广泛的材料。国产的一般在100 kHz以下，功率可达100 kVA。铁氧体磁芯可以串联与并联来扩大功率。

图8.1  磁路并联与铁氧体-空气隙串联来大幅度提高磁通量

铁氧体磁路中串联铁氧体磁芯-空气隙后，由Maxwell方程的边界条件导出的磁通量连续性原理给出（7.1），在不同介质边界上法向磁通的连续性，于是在磁路中

（8.1）

假定空气隙的长度l0《 铁氧体磁芯磁路长度lm，r0为空气隙磁阻、rm为磁芯磁阻。在l0《lm的情况下，磁通线垂直于截面；那么，由于磁通量或磁通线连续原理，空气隙的磁通量就等于磁芯内的磁通量，所以，在空气隙中的磁感应强度等于磁芯中的磁感应强度而有

（8.2）

（8.3）

此时空气隙的磁导率比没有铁氧体磁芯时的导磁率μ0大μr倍，空气隙的磁场强度Hg比没有铁氧体磁芯时的空气磁强度大μr倍。使得铁氧体空气隙中的磁通量比空气中的磁通量大μr倍，Ф = μr Ф0，而其磁阻比铁氧体中的磁阻也大μr倍。

在铁氧体磁路中串接了空气隙后，大大地增加了空气隙的通过功率，但也降低了铁氧体磁路中的磁导率，磁滞回线变性，反而使得工作范围ΔΦ/A与ΔH都加大。

图8.2  铁氧体磁芯的空气隙后，磁滞回线变形，使得工作范围ΔΦ/A与ΔH都加大，是相乘地加大，使储能容量会增大，而串联空气隙后μ值线性地减小，但总的效果是加大储能容量，
气隙mm 4.5 9 13 17 22 27 32 48  电感μH 635.7 531.9 435.2 366.2 318.2 276.2 243.6 184

表8.1  在匝数=4l匝时电感与气隙大小的关系

结论3：铁氧体磁路中串接空气隙，μ值减小以%计，但空气隙中的μ0变成了μ，也就是放大了μr约2 000倍，而空气隙无磁饱和障碍，由（6.4）与（6.5）磁路中的磁能量主要并不集中储存在铁氧体铁芯中，而在磁路中的串联空气隙中。磁路中气隙好比电路中的电抗，而的铁氧体好比电路中导线。而它还有放大串联空气隙的磁抗的效应，这是电路所没有的。

图8.2  国产商品标准大功率铁氧体

南京恒创磁电有限公司的EE系列有：主要产品：EE65、EE85、EE110、EE130、EE140、EE188、EE193、EE200、EE210、EE240、EE320、EE400、EE480、U64、U73、U80、U86、U94、U100、U105、U120A、U120B、U130、U160、U200、U240。目前南京恒创磁电有限公司的这类磁芯已被世界各地近5000家企业采用。为了减小漏感，选用了EE型铁芯。

还有非晶硅钢铁芯，用于高频、高μr，国钢铁研究总院有优质产品。更能提高功率。

（御风）