CN1119366A - 有源滤波电路及包括该有源滤波电路的电源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括一个平滑滤波器的有源滤波电路，该平滑滤波器包括一个扼流线圈，所述扼流线圈包括一个由微晶合金构成的并至少在其一个部分上有一磁隙的磁芯及至少一根围绕该磁芯缠绕的导线。该微晶合金的组成为0.1～3％(原子)的至少一种选自Cu和Au中的元素，1～7％(原子)的至少一种选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W中的元素，10～17％(原子)的Si，4～10％(原子)的B，其余基本上是Fe和不可避免的杂质。

Description

有源滤波电路及包括该有源 滤波电路的电源装置
本发明涉及一种安装在电源输入侧用于改善功率因数的有源滤波电路，以及包括这样一种有源滤波电路、具有高功率因数的电源装置。
大多数工业电力使用的转换电源，例如变压器、整流器、交流变换器等，包括电容器输入型整流电路。这种整流电路的一个典型例子示于图3中。
由交流电源A供给的交流电通过一个二极管电桥B进行整流，并由电容器C滤波。在图4(a)～(c)中示出在图3电路的每个元件中电压波形和电流波形。当具有如图4(a)所示波形的输入电压Vin是由交流电源A提供时，电容器C的输出电压Vout具有如图4(b)中实线所示的波形。当不存在电容器C时，图4(b)中的虚线表示供给负载Lo的电压波形。如图4(c)所示，只有当图4(b)中的实线和虚线重叠时，输入电流Iin流过。
但是，在这样一种电路中，因为只有当电压接近如图4(b)和4(c)所示的其峰值时输入电流才流过，所以电流峰值必然是高的。如果包括大量的上述较高谐波的电流流过电路，则交流电路的电压波形就失真，并且较高的谐波进入其它设备会导致电气设备失灵等，同时，降低交流电源A的功率因数。
迄今为了解决上述问题，已提出各种建议。有一种在输入电路中安装有一个电阻器的系统。然而，这种系统在效率、波形改善及由于负载电流引起的整流电压的变化等方面均不利。还有一种在输入电路中包括电感器的简单系统，该系统适合于小输出电路。然而，这种包括电感器的系统是不利的，因为所使用的电感器尺寸大，该系统不能有效改善波形，以及由于负载电流引起的整流电压的大变化等。另外还有一种在输入电路中包括一个有源滤波电路的系统，该系统最有效且广泛地用于抑制较高的谐波。但是，这种有源滤波电路通常是不利的，因为所用元件的数目增加，并且造价高。
例如有一种有源滤波电路，它包括一个晶体管，该晶体管构成一个用于流入电容器的电流的旁路。晶体管的的迅速开关转换使平均输入电流具有接近正弦的波形。图5示出升压斩波型有源滤波电路的一个例子。
这种有源滤波电路包括一个交流电源51、一个二极管电桥52、一个电感器53、一个二极管54、一个电阻器55、一个连接在电感器53和电阻器55之间的晶体管56和一个连接在二极管54和电阻器55之间的电容器57。负载60与电容器57并联。该有源滤波电路还包括一个与二极管52的输出端、电阻器55、晶体管56的控制极和二极管54的输出端连接的控制器61。在这样一种有源滤波电路中，借助于晶体管56的高频转换可以降低该有源滤波器所必需的电感L和电容C的电平。因此，当晶体管转换更快时，在这种电路中作为电感L使用的扼流线圈就可以小型化。
用于有源滤波电路的扼流线圈可以是带有间隙的铁磁芯、带有间隙的硅钢磁芯、带有间隙的由非晶态铁基合金制成的磁芯和无间隙的由非晶态铁基合金或Fe-Al-Si合金粉末制成的磁芯等。但是，用于有源滤波电路的扼流线圈的铁磁芯可能容易饱和，为了显示足够的作用，扩大间隙、增加线圈匝数或增大磁芯尺寸是必要的。线圈匝数的增加会引起铜损增加和线圈发热，结果是温度急剧升高。从另一方面来说，如果增大扼流线圈，整个电路就不能小型化。
因为使用硅钢磁芯的扼流线圈在高频下芯体损耗大，用于扼流线圈和其它元件小型化的高频转换会导致剧烈升温，这意味着转换频率不能提高到如此程度。在使用带有间隙的由非晶态铁基合金制成的磁芯的扼流线圈的情况下，因为磁芯被切割以提供间隙，所以磁芯应当与树脂一起整体模压成形。然而，因为非晶态铁基合金具有大的磁致伸缩，所以磁芯具有显著增加的芯体损耗的缺点，并且可能产生由磁致伸缩振动引起的噪声。在使用无间隙的由非晶态铁基合金制成的磁芯的情况下，可能发生由磁致伸缩振动引起的共振，造成扼流线圈的工作随频率不稳定，并且也可能产生由磁致伸缩振动引起的噪声。
尽管压粉铁芯是廉价的，但是大的芯体损耗的缺点使它的导磁率低至100以下。另外，包含压粉铁芯的扼流线圈不能够小型化到如此程度。使用Fe-Al-Si合金的压粉磁芯的扼流线圈在性能方面优于使用压粉铁芯的扼流线圈，但是Fe-Al-Si合金的压粉磁芯不能充分小型化。
如上所述，在普通有源滤波电路中使用的扼流线圈具有其本身的问题，于是已经要求提供一种高性能的扼流线圈，该扼流线圈适用于高可靠性、高功率因数的有源滤波电路，及具有高功率因数的包括这样一个有源滤波电路的电源装置。
因此，本发明的一个目的是提供一种具有高可靠性和高功率因数的有源滤波电路。
本发明的另一个目的是提供一种包括这样一种有源滤波电路的电源装置。
作为基于上述目的的认真研究的结果，发明人发现，适用于有源滤波电路的扼流线圈由磁芯和至少一根围绕该磁芯缠绕的导线构成。该磁芯由微晶合金制成的带或粉末和/或片粉形成，并且至少在其一个部分里具有磁隙。因为这样一种扼流线圈温升较小，并且其磁芯不可能被输入电流饱和，因此包括这样一种扼流线圈的有源滤波电路能够小型化，并且能够在高速转换操作中使用。基于这一发现完成了本发明。
在本发明的第一个方面，提供一种包括一个平滑滤波器的有源滤波电路，该滤波器包括一个扼流线圈，这个扼流线圈包含一个由微晶合金制成的并至少在其一个部分中有磁隙的磁芯和至少一根围绕该磁芯缠绕的导线。
在本发明的第二个方面，提供一种包括一个平滑滤波器的有源滤波电路，该滤波器包括一个扼流线圈，这个扼流线圈包含一个由微晶合金粉末和/或片粉及绝缘材料构成的磁芯和至少一根围绕该磁芯缠绕的导线。
在本发明的第三个方面，提供一种在其输入电路的至少一部分中包括这样一种有源滤波电路的电源装置。
附图的简要说明
图1是表示按照本发明的有源滤波电路的一个例子的示意图。
图2是表示按照本发明的有源滤波电路的另一个例子的示意图。
图3是表示电容输入型整流电路的一个例子的示意图。
图4(a)是表示在电容输入型整流电路中在交流电源的输出端的电压Vin的波形示意图。
图4(b)是表示在电容输入型整流电路中在电容器处的电压Vout的波形示意图。
图4(c)是表示在电容输入型整流电路中在交流电源的输出端的电流Iin的波形示意图。
图5是表示升压斩波型有源滤波电路的一个例子的示意图。
图6是表示本发明的扼流线圈和普通的扼流线圈在100kHz时的直流叠加特性曲线图。
优选实施方案的详细描述
(1)微晶合金
用于本发明的有源滤波电路的扼流线圈的微晶合金可以是在日本专利申请公开No.1-242755和美国专利No.4881989中描述的合金。
在本发明中所使用的微晶合金的一个特殊例子是一种铁基合金，该铁基合金含有0.1～3％(原子)的至少一种选自Cu和Au中的元素，1～7％(原子)的至少一种选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W中的元素，10～17％(原子)的Si，4～10％(原子)的B，其余基本上是Fe和不可避免的杂质，该合金能够保持低的温升。更准确地说，这种微晶合金的优选组成是0.5～2％(原子)的至少一种选自Cu和Au中的元素，1.5～5％(原子)的至少一种选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W中的元素，10～15％(原子)的Si，6～9.5％(原子)的B，其余基本上是Fe和不可避免的杂质。
在本发明中使用的微晶合金的另一个例子是一种Fe基合金，它含有0～3％(原子)的至少一种选自Cu和Au中的元素，2～10％(原子)的至少一个选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W中的元素，0～＜10％(原子)的Si，2～10％(原子)的B，其余基本上是Fe和不可避免的杂质。即使当大的输入电流流过时，该合金作为扼流线圈能够显示足够的作用。更准确地说，这种微晶合金的优选组成是0～2％(原子)的至少一种选自Cu和Au中的元素，5～8％(原子)的至少一种选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W中的元素，0～8％(原子)的Si，3～8％(原子)的B，其余基本上是Fe和不可避免的杂质。
在任何情况下，该微晶合金的至少50％的组织被平均直径为100nm或小于100nm的、优选50nm或小于50nm的、更优选20nm或小于20nm的超细晶粒所占据。超细晶粒主要由含有以Fe为主要成分和以合金化元素例如Si等为固溶成分的bcc相(体心立方晶格相)组成。如果平均直径为100nm或小于100nm的超细晶粒的总量低于50％(体积)，则不能达到足够的性能。尽管微晶合金可以是100％的微晶，微晶合金的剩余部分可以由非晶态相构成。
微晶合金通常可以制成厚度是约1～40μm的薄带。当铁损应当特别被降低时，薄带的优选厚度是约1～25μm。可以通过粉化这样的薄带生产微晶合金的粉末和/或片粉。
可以通过形成非晶态Fe基合金薄带并热处理所形成的薄带生产微晶合金的薄带。明确地说，首先通过快速淬火法，例如单辊法、双辊法等形成厚度约1～40μm的非晶态合金薄带。该薄带可以部分地包括结晶相，例如bcc相、Fe-B化合物相等等。在缠绕成环形之后，将该薄带在温度等于或高于结晶温度、尤其是450～700℃、更好是500～600℃，在惰性气体例如氩气、氮气等的氛围中或在空气中热处理5分钟到100小时。这里所用的术语“结晶温度”意指结晶开始温度，该结晶开始温度能够在以10℃/min的加热速度时借助示差扫描量热计通过观测由结晶产生的热来测定。通过这种热处理，至少50％(体积)的合金组织被平均晶粒大小为100nm或小于100nm的超细晶粒占据。然后，已热处理的合金优选以0.1℃/min或高于0.1℃/min速度进行冷却。
在粉末和/或片粉的情况下，将微晶合金的薄带粉碎化。也可以通过雾化方法产生微晶合金的粉末和/或片粉。合金粉末可以具有0.1～100μm的平均直径，而合金片粉可以具有5～500μm的平均直径和1～30μm的平均厚度。
优选微晶合金具有基本为0或稍微正数的、尤其是0至+6×10-5的磁致伸缩。当微晶合金的磁致伸缩为0时，磁芯显示小的芯体损耗，结果导致最小的温升。当微晶合金的磁致伸缩是稍微正数时，与电流相比电感的减少是小的，这就能够在宽的输出范围内得到高的功率因数。
(2)扼流线圈
由微晶合金磁芯构成的扼流线圈仅显示小的温升，而且不太可能被输入电流饱和，当用在有源滤波电路中时能实现高频转换。因此，该有源滤波电路仅占有小的空间。
在环形磁芯的情况下，用绝缘材料例如耐热树脂缠绕并固化微晶合金薄带。该绝缘材料的优选例子是酚醛树脂、环氧树脂、丙烯酸树脂等等。然后将树脂固化的缠绕磁芯在其至少一部分中径向切割，以便有一个0.1～5mm宽的磁隙。可以用绝缘材料制成的垫片将磁隙填满。在缠绕导线线圈之前，将带有间隙的磁芯插入一个非磁性的外壳中。
在通常所说的由微晶合金粉末和/或片粉及绝缘材料制成的树脂结合的磁芯情况下，该绝缘材料可以是耐热的有机或无机粘结剂，例如耐热的无机漆等。导线线圈可以围绕有或没有非磁性外壳磁芯缠绕。
(3)有源滤波电路
本发明的有源滤波电路包括由上述扼流线圈构成的平滑滤波器。在图1和2中示出本发明的有源滤波电路的例子。
图1中所示的有源滤波电路包括一个交流电源1，一个有两个端子2a、2b并与交流电源1连接的二极管电桥2，一个有电感L并且与二极管电桥2的2c端连接的扼流线圈3，一个与扼流线圈3连接的二极管4，一个与二极管电桥2的2d端连接的电阻器5，一个连接在扼流线圈3和电阻器5之间的晶体管6，以及一个连接在二极管4和电阻器5之间的电容器7。与电容器7并联的是转换电源10。该有源滤波电路还包括一个放大器11，该放大器具有一个与二极管4的输出端连接的端子和另一个与参考电压12连接的端子。放大器11的输出端与倍增器13的一个输入端连接，而倍增器13的另一个输入端连接在二极管电桥2和扼流线圈3之间。倍增器13的输出端与一个低通滤波器14连接，该低通滤波器接着又与一个脉宽调制(PWM)控制器15连接。该PWM控制器15也与电阻器5连接，并通过驱动器16与晶体管6的控制极连接。
图2中所示的有源滤波电路具有与图1中所示电路相似的结构。图2所示的有源滤波电路的一个特点是它包括比较器20和状态电阻21。该比较器20的一个输入端与倍增器13连接而另一个输入端连接在晶体管6和电阻器5之间。该状态电阻21与比较器20、扼流线圈3、并经过驱动器16与晶体管6的控制极连接。图2所示的有源滤波电路的另一个特点是电阻器5与晶体管6串联，并且与电容器7并联。
(4)电源装置
按照本发明的另一个方面，在于提供在其输入电路的至少一个部分中包括上述有源滤波电路的电源装置。就这种有源滤波电路来说，在保持高功率因数的同时，电感元件和电容元件可以小型化。结果是电源装置可以小型且高度可靠。本发明的电源装置比使用由非晶态铁基合金制成的扼流线圈的电源装置产生更小的噪声。
参照下述实施例进一步描述本发明，这些实施例并不是以限制本发明范围为目的的。
实施例1、比较例1
通过单辊法骤冷熔融合金产生宽12.5mm和厚10μm的薄合金带，该熔融合金主要含有1％(原子)Cu、2％(原子)Nb、15.5％(原子)Si、6.5％(原子)B、其余的为Fe，然后缠绕成外径33mm、内径20mm的环形芯。在550℃和氩气气氛中将所制成的环形芯热处理1小时。热处理的合金的X射线衍射观测和透射电子显微镜显示50％或大于50％的合金组织是超细的bcc铁相，这证实合金是微晶的。该微晶合金也有低于1×10-6磁致伸缩。
在真空中用环氧树脂浸渍环形芯，然后在恒温室中硬化。紧接着，用切片机在其磁路的一部分上切割树脂模压的环形芯，并用一种非磁性垫片填充所产生的间隙，以提供一个0.5mm的磁隙。将所得到的磁芯插入一个由酚醛树脂制成的外壳中，并围绕外壳缠绕50匝导线，以提供一个具有50μH电感的扼流线圈。以这种扼流线圈作为电感L，形成如图1所示的有源滤波电路，以便在输入电压为120V、输出功率为1KW和转换频率为100kHz下测量扼流线圈的功率因数和温升△T。结果示于表1中。
为了比较，在图1的电路中使用包含压粉铁芯的扼流线圈的情况下，该扼流线圈的温升△T、功率因数和磁芯尺寸也示于表1中。
                  表1
                  磁芯
序号       材料         尺寸(1)      △T(℃)    功率因数
实施例1    微晶(2)     33×20×12.5   35        0.998
比较例1    压粉铁芯(3) 45×20×20     45        0.991
注：  (1)外径×内径×高
      (2)Febal.Cu1Nb2Si15.5B6.5。
      (3)由电镀铁制成(纯铁)
从表1可以清楚地看到，用于本发明有源滤波电路的扼流线圈(实施例1)在尺寸和温升方面都比普通的扼流线圈(比较例1)小，这样就能实现一种具有比后者更高的功率因数的有源滤波电路。
实施例2～16、比较例2～4
以与实施例1相同的方式由表2所示的合金制成微晶合金的环形磁芯，同时通过将表2所示的粉末化微晶合金与7％(重量)作为粘结剂的耐热无机漆相混合并在400℃压制所形成的混合物制成微晶合金的压粉磁芯。每个磁芯在550℃热处理1小时。每个磁芯的大小是外径35mm、内径20mm、高12.5mm。
热处理过的磁芯中的每种合金的X射线衍射观测和透射电子显微镜显示50％或高于50％的合金组织是超细的bcc铁相，这证实该合金是微晶的。
导线围绕各个磁芯缠绕，以提供用于有源滤波电路的扼流线圈。然后将该扼流线圈作为电感L接入图2所示的有源滤波电路中，以便在输入电压120V、输出功率1KW和转换频率100kHz下测量扼流线圈的功率因数和温升△T。结果示于表2中。
                   表2序号     合金组成(原子％)                形式  △T(℃)   功率因数实施例2      Febal.Cu1Nb2Si11B9       带间隙    35       0.9963      Febal.Cu1Ta2Si11B9       压粉芯    36       0.9954      Febal.Cu1Hf2Si10B9       带间隙    37       0.9955      Febal.Cu1Zr5B9            带间隙    35       0.9966      Febal.Cu1Hf7B5            压粉芯    38       0.9967      Febal.Cu1Zr2Si8B9        带间隙    35       0.9948      Febal.Cu1Zr8W1B2         压粉芯    36       0.9959      Febal.Cu1Nb3Si13B7       压粉芯    34       0.99610     Febal.Cu1Nb2Si17B6       带间隙    37       0.99611     Febal.Au1Nb2V1Si10B9    带间隙    38       0.99412     Febal.Cu1Mo3Si16B6.5      带间隙    38       0.99413     Febal.Cu1Nb5Si13B9       压粉芯    36       0.99614     Febal.Zr7B3                 带间隙    39       0.99615     Febal.Cu1Nb3Si17B3       带间隙    41       0.99416     Febal.Cu0.6Zr7Si11B6      带间隙    40       0.994比较例2      非晶态Fe基合金(1)              带间隙    43       0.9923      硅钢                           带间隙    53       0.9904      Fe-Al-Si(2)                   压粉芯    43       0.992注：  (1)Febal.Si9B13。
  (2)Febal.Al10Si5(重量％)。
从表2可清楚地看到，本发明的扼流线圈仅具有小的温升，并且在高的功率因数的同时能够小型化。因此，包括本发明的有源滤波电路的电源装置在具有优异的特性的同时能够被大大地小型化。
实施例17～19、比较例5～7
对用于有源滤波电路的、根据本发明使用表3所示的合金制成的扼流线圈和普通的扼流线圈，在100kHz下测量它们的直流叠加特性。结果示于图6中。
表3还表示了在100kHz频率、0.1TBm下，当向磁芯施加5Oe的磁场时的芯体损失Pc。
                表3序号      合金组成(原子％)          芯体损失Pc(kW.m-3)实施例17     Febal.Cu1Nb2Si10B9       48018     Febal.Cu1Nb2Si16B7       37019     Febal.Cu1Zr7Si1B6        530比较例5      Fe-Al-Si压粉芯(1)       16006      非晶态Fe合金(2)         6507      压粉铁芯(3)             5500注：    (1)Febal.Al10Si5(重量％)。
    (2)Febal.Si9B13。
    (3)电镀铁(纯铁)。
从表3可清楚地看到，因为本发明的扼流线圈在一个被叠加的直流磁场时，显示小的芯体损失Pc，所以当被用在有源滤波电路中时，它能高效地抑制温升。
表4表示包括本发明扼流线圈的有源滤波电路和包括非晶态Fe基合金的普通扼流线圈的有源滤波电路的噪声。从表4可清楚地知道，本发明的扼流线圈比非晶态Fe基合金的普通扼流线圈产生的噪声小。
                  表4
序号        轭流线圈的材料                   噪声
实施例17    微晶Febal.Cu1Nb2Si10B9     32dB
比较例6     非晶态Fe合金                     41dB
正如上面详细描述的那样，通过使用在有源滤波电路中仅具有小噪声和小温升的扼流线圈，有源滤波电路能被小型化。另外，包括这样一种有源滤波电路的电源装置是小型的且具有高的功率因数。

Claims (8)

1、一种包括一个平滑滤波器的有源滤波电路，该平滑滤波器包括一个扼流线圈，该扼流线圈包括一个由微晶合金制成的并至少在其一个部分上有磁隙的环形磁芯及至少一根围绕该环形磁芯缠绕的导线。
2、一种包括一个平滑滤波器的有源滤波电路，该平滑滤波器包括一个扼流线圈，该扼流线圈包括微晶合金粉末和/或片粉和绝缘材料制成的磁芯及至少一根围绕该磁芯缠绕的导线。
3、根据权利要求1所述的有源滤波电路，其中所述的微晶合金是一种Fe基合金，它含有0.1～3％(原子)的至少一种选自Cu和Au中的元素，1～7％(原子)的至少一种选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W中的元素，10～17％(原子)的Si，4～10％(原子)的B，其余基本上是Fe和不可避免的杂质。
4、根据权利要求2所述的有源滤波电路，其中所述的微晶合金是一种Fe基合金，它含有0.1～3％(原子)的至少一种选自Cu和Au中的元素，1～7％(原子)的至少一种选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W中的元素，10～17％(原子)的Si，4～10％(原子)的B，其余基本上是Fe和不可避免的杂质。
5、根据权利要求1所述的有源滤波电路，其中所述的微晶合金是一种Fe基合金，它含有0～3％(原子)的至少一种选自Cu和Au中的元素，2～10％(原子)的至少一种选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W中的元素，0～＜10％(原子)的Si，2～10％(原子)的B，其余基本上是Fe和不可避免的杂质。
6、根据权利要求2所述的有源滤波电路，其中所述的微晶合金是一种Fe基合金，它含有0～3％(原子)的至少一种选自Cu和Au中的元素，2～10％(原子)的至少一种选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W中的元素，0～＜10％(原子)的Si，2～10％(原子)的B，其余基本上是Fe和不可避免的杂质。
7、根据权利要求2所述的有源滤波电路，其中所述的绝缘材料是一种耐热的有机或无机粘结剂。
8、一种电源装置，它在输入电路的至少一个部分中包括一个权利要求1～7中任一项所述的有源滤波电路。
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