開關(guān)電源中電感氣隙的設(shè)計(jì)與研究

1、開關(guān)電源中電感氣隙的設(shè)計(jì)與研究曠建軍 阮新波 任小永 南京航空航天大學(xué)航空電源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京 210016)摘 要：在開關(guān)電源中使用的電感，除了利用低導(dǎo)磁材料作為均勻分布?xì)庀兑酝猓酶邔?dǎo)磁材料作磁芯的電感都必須擁有氣隙。由于在氣隙附近存在擴(kuò)散磁通，使繞組產(chǎn)生額外的損耗，所以電感繞組的損耗不同于變壓器繞組。本文針對(duì)開關(guān)電源中利用鐵氧體作磁芯的氣隙電感，基于前人的研究成果上，通過(guò)有限元分析軟件，詳細(xì)地分析了氣隙設(shè)計(jì)對(duì)電感繞組損耗的影響?？偨Y(jié)了減少繞組損耗的氣隙布置方法和采用分布?xì)庀稇?yīng)該遵守的準(zhǔn)則。敘 詞：電感 氣隙 分布?xì)庀?氣隙布置 繞組損耗Abstract： Inductors are co

2、mmonly used in the switching supply. Besides the use of low-permeability magnetic material to form a uniformly distributed gap, inductors with high permeability cores have to need air gap. There is fringing flux near the air gap, which result in the additional losses in the winding. This makes windi

3、ng losses of inductor different from transformers. Based on previous research output, winding losses of inductors with high permeability ferrite core are analyzed in detail by using the Finite Element Analysis (FEA). General design guidelines for decreasing winding losses of inductors are given for

4、lumped gap and quasi-distributed gap. Key words： Inductor Air gap Distributed gap Air-gap arrangement Winding losses1 引言電感是開關(guān)電源中重要的元件之一，其合理設(shè)計(jì)有利于提高電源效率和可靠性。為防止電感飽和，需要在磁芯中加入氣隙。鐵粉芯的氣隙均勻分布在磁芯中。如果采用高導(dǎo)磁材料來(lái)繞制電感，傳統(tǒng)的做法是采用集中氣隙。為了減少由氣隙附近的擴(kuò)散磁通引起的繞組損耗，繞組布置需避開氣隙3個(gè)左右的氣隙長(zhǎng)度。然而對(duì)于較大的氣隙，那樣做將使磁芯窗口的利用率大大降低，此時(shí)可應(yīng)用多個(gè)小氣隙來(lái)構(gòu)成分

5、布?xì)庀丁Ｎ墨I(xiàn)1提出利用交錯(cuò)氣隙以減少旁路磁通，從而減少繞組損耗。前人的研究成果對(duì)電感設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義，但對(duì)某些方面沒有進(jìn)行詳細(xì)研究，特別是多氣隙中各小氣隙之間磁柱的長(zhǎng)度對(duì)擴(kuò)散磁通的影響，氣隙布置在磁芯拐角附近對(duì)擴(kuò)散磁通的影響，以及分布?xì)庀兜膫€(gè)數(shù)如何選擇等。近年來(lái)，電磁場(chǎng)有限元分析軟件得到廣泛的應(yīng)用，分析結(jié)果的正確性得到了大量的證實(shí)2。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，利用電磁場(chǎng)有限元軟件對(duì)上述問題進(jìn)行詳細(xì)的研究。2 氣隙在磁芯柱上不同位置對(duì)繞組損耗的影響根據(jù)文獻(xiàn)1的分析，在電感中的磁通可分成以下三個(gè)部分（如圖1所示）：(1)在磁芯中構(gòu)成回路的主磁通,(2)氣隙附近進(jìn)入磁芯窗口的擴(kuò)散磁通,(3)穿越磁柱之

6、間窗口內(nèi)的旁路磁通。由于主磁通未深入磁芯窗口內(nèi)，故它不會(huì)在繞組上感應(yīng)出渦流。擴(kuò)散磁通則會(huì)在氣隙附近的繞組上感應(yīng)出渦流。旁路磁通穿越磁柱間的磁芯窗口，將在繞組上感應(yīng)出渦流。氣隙在磁芯柱上的不同位置對(duì)磁芯窗口內(nèi)的擴(kuò)散磁通和旁路磁通都可能產(chǎn)生影響。對(duì)繞組由漆包線構(gòu)成的電感，氣隙在磁芯柱上不同位置對(duì)磁芯窗口內(nèi)旁路磁通的影響在文獻(xiàn)1中已有詳細(xì)分析。本節(jié)主要分析對(duì)擴(kuò)散磁通的影響，并分析氣隙在磁芯柱上的位置對(duì)銅箔與漆包線繞制的電感所產(chǎn)生的不同影響。 (a) 漆包線繞組 (b) 銅箔繞組圖1 電感中的磁通分布(對(duì)稱半副磁芯)對(duì)于高頻電感，相對(duì)氣隙設(shè)在磁芯中部，如氣隙設(shè)在磁芯拐角處，會(huì)使此處的擴(kuò)散磁通更容易深入

7、到磁芯窗口內(nèi)(如圖2(a)，2(b)所示)，這是因?yàn)榇磐ǖ姆植?，與所通過(guò)路徑的磁阻分布有關(guān)。相對(duì)氣隙設(shè)在磁芯中部，氣隙設(shè)在拐角處，擴(kuò)散磁通經(jīng)過(guò)路徑的磁阻要比氣隙設(shè)在磁芯窗口中部要小。這樣就會(huì)容易導(dǎo)致繞組損耗的增加。另外如氣隙靠近磁芯的上端面，在窗口內(nèi)，有一部分磁通會(huì)繞過(guò)磁柱上的短端，直接在磁芯上端面和磁柱的長(zhǎng)端之間形成一個(gè)磁通路(如圖2(c)所示)，從而使窗口內(nèi)的擴(kuò)散磁通增加。在圖3所示的電感結(jié)構(gòu)中，如此時(shí)繞組靠近氣隙，將導(dǎo)致繞組損耗剛開始時(shí)，隨氣隙在磁芯柱上的位置b的增加而增加。當(dāng)b增加到對(duì)應(yīng)使擴(kuò)散磁通最多時(shí)，繞組損耗增加到最大值。此后隨b的增加，由擴(kuò)散磁通引起的繞組損耗將隨b的增加而減少。

8、最后當(dāng)b增加到較大時(shí)，由于氣隙距磁芯上端面較遠(yuǎn)，磁芯上端面對(duì)氣隙附近的擴(kuò)散磁通已不能產(chǎn)生影響。這時(shí)隨b的增加，由擴(kuò)散磁通引起的繞組損耗基本不變。為了使繞組損耗剛開始時(shí)不隨b的增加而增大，可加大繞組與氣隙間的距離，以減少氣隙附近擴(kuò)散磁通對(duì)繞組損耗的影響。 (a) (b) (c)圖2 不同氣隙結(jié)構(gòu)處的擴(kuò)散磁通 (a) 銅箔繞組電感 (b) 漆包線繞組電感圖3 電感結(jié)構(gòu)圖在圖3所示的2種電感結(jié)構(gòu)中，用銅箔繞制的繞組損耗隨氣隙位置b的變化趨勢(shì)與漆包線繞組是不同的。這是因?yàn)閮烧咧g在窗口內(nèi)的磁通分布不同引起的。用漆包線繞制的電感，旁路磁通的分布如圖1(a)所示1。而用銅箔繞制的電感，由于銅層對(duì)磁場(chǎng)的屏蔽

9、作用，旁路磁通的分布如圖1(b)所示。磁通在窗口內(nèi)的方向是在磁芯上下端面之間。在這種情況下，改變氣隙在磁芯柱上的位置，將對(duì)旁路磁通不會(huì)產(chǎn)生什么影響。所以當(dāng)距離b較大時(shí)，隨著b的進(jìn)一步增加銅層繞組損耗將基本不變。而當(dāng)距離b較小時(shí)， b的改變對(duì)繞組的損耗是有影響的，根據(jù)前面的分析，此時(shí)是氣隙位置對(duì)擴(kuò)散磁通的影響而造成的。而用漆包線繞制的繞組，改變氣隙在磁柱上的位置而能影響旁路磁通，從而影響繞組損耗，詳細(xì)情況可參考文獻(xiàn)1。表1 銅箔電感結(jié)構(gòu) (單位:mm)ABCDE方案10.75.223.140.2方案20.75.222.740.2方案30.75.222.340.2對(duì)本節(jié)前面的氣隙位置對(duì)電感繞組損耗

10、的分析進(jìn)行了有限元驗(yàn)證。電感結(jié)構(gòu)如圖3所示，兩種電感結(jié)構(gòu)都選用南京新康達(dá)公司的EE16A磁芯。圖3(a)為0.1mm銅箔繞制的電感，根據(jù)參數(shù)D的不同有三種方案，具體參數(shù)見圖3(a)和表1。當(dāng)電感繞組中通過(guò)幅值為1A，頻率為300kHz的正弦電流時(shí)，用Ansoft Maxwell 2D 電磁場(chǎng)有限元軟件得到三種方案單位長(zhǎng)度的繞組損耗隨氣隙在磁芯柱上位置的變化趨勢(shì)如圖4(a)所示。根據(jù)前面的分析，氣隙位置b剛開始增加時(shí)，窗口內(nèi)擴(kuò)散磁通增加。此時(shí)方案1繞組距氣隙較近，導(dǎo)致繞組損耗隨距離b的增加而增加。當(dāng)b大于約3個(gè)氣隙距時(shí)，隨b的增加，磁芯窗口內(nèi)的擴(kuò)散磁通開始減少，此時(shí)繞組損耗隨b的增加而減少。當(dāng)b

11、大約10個(gè)氣隙距時(shí)，隨b的增加，磁芯窗口內(nèi)的擴(kuò)散磁通變化很小，此時(shí)繞組損耗隨b的增加而基本不變。為了在b剛開始增加時(shí)，使繞組損耗不增加，可以使繞組避開氣隙遠(yuǎn)點(diǎn)的距離。方案2和方案3中繞組分別距氣隙3.25和4.25個(gè)氣隙距，從圖4(a)可以看出繞組損耗在b剛開始增加時(shí)，繞組損耗不增加。表2 漆包線電感結(jié)構(gòu) (單位:mm)ABCDE方案11.15.223.440.2方案21.15.222.840.2方案31.15.222.240.2 (a)銅箔繞組 (b)漆包線繞組圖4 繞組損耗隨氣隙位置變化的關(guān)系圖圖3(b)為漆包線繞組制成的電感，根據(jù)參數(shù)D的不同有三種方案，具體參數(shù)見圖3(b)和表2。當(dāng)電感

12、繞組中通過(guò)幅值為0.1A，頻率為300kHz的正弦電流時(shí)，用Ansoft Maxwell 2D 電磁場(chǎng)有限元軟件得到三種方案單位長(zhǎng)度的繞組損耗隨氣隙在磁芯柱上位置的變化趨勢(shì)如圖4(b)所示。對(duì)比圖4(a)和4(b)，在圖4(a)中當(dāng)b大約為10個(gè)氣隙距時(shí)，繞組損耗隨b的增加而基本不變。而在4(b)中，繞組損耗是隨b的增加而減少明顯的。這和前面的分析是一致的。是由于氣隙位置對(duì)兩者之間的旁路磁通的影響不同而產(chǎn)生的結(jié)果。而擴(kuò)散磁通對(duì)兩者的損耗影響是一致的。3 分布?xì)庀秴?shù)對(duì)繞組損耗的影響為了減少損耗，通常要求繞組避開氣隙一定的空間，一般為三個(gè)氣隙長(zhǎng)度左右。這樣在氣隙較大時(shí)就會(huì)導(dǎo)致避讓區(qū)域過(guò)大，使磁芯

13、窗口面積利用率大大降低。因此為了減少損耗和提高磁芯窗口面積的利用率，用分布的小氣隙來(lái)代替大氣隙。如果小氣隙之間的磁柱長(zhǎng)度太短，部分?jǐn)U散磁通就會(huì)旁過(guò)短磁柱，進(jìn)入磁芯窗口內(nèi)(如圖5所示)，使分布小氣隙的效果減弱。因此小氣隙間的磁柱應(yīng)該多長(zhǎng)，來(lái)盡量減少小氣隙之間的影響，就是一個(gè)值得分析的問題。根據(jù)文獻(xiàn)1和前面的分析，對(duì)于漆包線繞組由于氣隙在磁柱上的位置會(huì)影響磁芯窗口內(nèi)的旁路磁通，最終影響繞組損耗。而根據(jù)上節(jié)的分析，對(duì)于用銅箔繞制的電感，氣隙位置不會(huì)影響到磁芯窗口內(nèi)的旁路磁通?，F(xiàn)在是為了研究氣隙間的擴(kuò)散磁通對(duì)繞組損耗的影響，所以在研究過(guò)程中應(yīng)該避免旁路磁通的改變而影響繞組損耗。故在此處選用銅箔繞制的電

14、感來(lái)進(jìn)行研究。磁芯和繞組參數(shù)同圖3(a)和表1中的方案1，大氣隙為0.6mm，拆分為2個(gè)0.3mm的小氣隙(如圖5所示)。當(dāng)電感繞組中通過(guò)幅值為1A，頻率為300kHz的正弦電流時(shí)，用電磁場(chǎng)有限元軟件得到單位長(zhǎng)度的繞組損耗隨小氣隙間磁柱長(zhǎng)度d的變化趨勢(shì)如圖6所示。由圖可知繞組損耗的變化趨勢(shì)和前面的分析一致。當(dāng)d較小時(shí)對(duì)繞組損耗的影響較大，此時(shí)增加d能大大減少繞組損耗。隨著d的增大，增加d對(duì)減少繞組損耗的作用逐漸減弱，當(dāng)d大約為5個(gè)小氣隙長(zhǎng)度左右時(shí)，氣隙間距的變化對(duì)繞組損耗影響較小。 圖5磁芯結(jié)構(gòu)與磁通分布圖 圖6損耗對(duì)氣隙間磁柱長(zhǎng)度有時(shí)為了盡量減少繞組損耗，希望使用多個(gè)分布小氣隙來(lái)代替集中的一

15、個(gè)大氣隙。使用的小氣隙越多，工藝就越復(fù)雜，成本就越高。同時(shí)增加太多的小氣隙，對(duì)減少繞組的損耗不一定明顯。因此小氣隙個(gè)數(shù)增加到多少適合也是一個(gè)值得分析的問題。磁芯和繞組參數(shù)同圖3(a)和表1中的三種方案。氣隙布置在3個(gè)磁芯柱上，每個(gè)磁芯柱上的氣隙總長(zhǎng)為0.6mm，拆分成的小氣隙在磁柱上均勻分布。圖7為每個(gè)磁柱上6個(gè)分布小氣隙的示意圖。當(dāng)電感繞組中通過(guò)幅值為1A，頻率為300kHz的正弦電流時(shí)，用電磁場(chǎng)有限元軟件得到單位長(zhǎng)度的繞組損耗隨小氣隙個(gè)數(shù)的變化趨勢(shì)如圖8所示。對(duì)圖8所示的結(jié)果進(jìn)行分析，剛開始增加氣隙的個(gè)數(shù)，能大大減少繞組的損耗。但氣隙的個(gè)數(shù)增加到6到7個(gè)氣隙以后，再增加氣隙的個(gè)數(shù)對(duì)繞組損耗

16、影響不大。在方案1中當(dāng)磁柱上為一個(gè)集中氣隙時(shí)，氣隙長(zhǎng)度為0.6mm，繞組距磁芯邊柱的距離為0.45mm，即繞組距邊柱為0.75個(gè)氣隙長(zhǎng)度。當(dāng)磁柱上為兩個(gè)小氣隙時(shí)，氣隙長(zhǎng)度為0.3mm，繞組距邊柱為2個(gè)小氣隙的距離，從圖8可見此時(shí)增加氣隙能大大減少繞組的損耗。當(dāng)磁柱上為4個(gè)氣隙時(shí)，小氣隙長(zhǎng)度為0.15mm，繞組距邊柱為3個(gè)小氣隙長(zhǎng)度，以后再增加氣隙的個(gè)數(shù)，繞組損耗的減少就不多了 ，當(dāng)氣隙增加到6個(gè)時(shí)，小氣隙長(zhǎng)度為0.1mm，繞組距邊柱為4.5個(gè)小氣隙長(zhǎng)度，以后再增加氣隙的個(gè)數(shù)，繞組損耗的減少就不明顯了。這和繞組應(yīng)避開氣隙3個(gè)氣隙長(zhǎng)度的距離是一致的。因?yàn)樵僭黾永@組避開氣隙的距離，氣隙附近的擴(kuò)散磁通

17、對(duì)繞組的損耗影響就較小了。在方案2和方案3的情況和方案1一致。故小氣隙的個(gè)數(shù)應(yīng)增加到使繞組距氣隙的距離大于3個(gè)小氣隙。但沒有必要增加氣隙的個(gè)數(shù)使繞組距氣隙的距離大于5個(gè)小氣隙的距離，因?yàn)榇藭r(shí)再增加氣隙個(gè)數(shù)對(duì)繞組損耗影響很小。 圖7多氣隙磁芯結(jié)構(gòu) 圖8 繞組損耗對(duì)分布?xì)庀秱€(gè)數(shù)4 結(jié)束語(yǔ)本文在前人研究成果上，利用有限元分析軟件對(duì)氣隙布置在磁芯拐角附近對(duì)擴(kuò)散磁通的影響、氣隙位置對(duì)銅箔繞組和漆包線繞組兩者之間的旁路磁通的不同影響、多氣隙中各小氣隙之間磁柱的長(zhǎng)度對(duì)擴(kuò)散磁通的影響和分布?xì)庀兜膫€(gè)數(shù)如何選擇等進(jìn)行了詳細(xì)分析，所得結(jié)果對(duì)電感設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)用價(jià)值。參考文獻(xiàn)1 Chen W, He J.N, Luo H.l, et al. Winding loss analysis and new air-gap arrangement for high-frequency inductorsA. Proceedings of the IEEE Power Elect