電感元件設計規(guī)范課件

1、1 1電磁學基本概念及公式電磁學基本概念及公式.21.1基本概念.21.2基本公式.22 2磁元件的基本特性磁元件的基本特性.32.1磁滯效應（HYSTERESIS EFFECT）：.32.2霍爾效應（HALL EFFECT）： .32.3臨近效應（PROXIMITY EFFECT）.32.4磁材料的飽和.42.5磁芯損耗.43 3電感磁芯的分類及特點電感磁芯的分類及特點.53.1磁芯材料的分類及其特點.53.1.1鐵氧體（Ferrite）.53.1.2硅鋼片（Silicon Steel）.63.1.3鐵鎳合金（又稱坡莫合金或MPP）.63.1.4鐵粉芯（Iron Powder）.63.1.5

2、鐵硅鋁粉芯（又稱Sendust或Kool Mu）.63.2磁芯的外形分類：.63.3電感的結構組成.73.3.1環(huán)型電感.73.3.2EE型電感/變壓器.83.4電感的主要類型：.83.5電感磁芯主要參數(shù)說明.94電感在電感在 UPS 中的應用中的應用.95 5電感設計的原則電感設計的原則.125.1原則一：電感不飽和（感值下降不超出合理范圍）.125.2原則二：電感損耗導致的溫升在允許的范圍內（考慮使用壽命）.155.3原則三：電感的工藝要求可以達成.176電感設計規(guī)范表電感設計規(guī)范表.18 目的 磁性元件的設計是開關電源設計中的重點和難點，究其原因是磁性元件屬非標準件，其設計時需考慮的設計

3、參數(shù)眾多，工藝問題也較為突出，分布參數(shù)復雜。為幫助硬件工程師盡快了解磁性元件，優(yōu)化設計并減少設計中的錯誤，特制定此規(guī)范。1 1電磁學基本概念及公式電磁學基本概念及公式1.1 基本概念1） 磁通：穿過磁路的磁力線的總數(shù)，以表示，單位韋伯（Wb） 。2） 磁通密度（磁感應強度）：垂直于磁力線的方向上單位面積的磁通量，以B表示，單位高斯（Gauss）或特斯拉（T） ，1 T=104 Gauss。3） 磁場強度：單位磁極在磁場中的磁力，以H表示，單位安培每米（A/m）或奧斯特（Oe） ，1 Oe=103/4 A/m。4） 磁導率：磁通密度與磁場強度之比，以表示，實際使用中通常指相對于真空的磁導率，真空

4、中的磁導率0 =410-7 H/m。5） 磁體：磁導率遠大于0 的物質，如鐵，鎳，鈷及其合金或氧化物等。6） 居里溫度點：磁體在溫度升高時，其磁導率下降，當溫度高到某一點時，磁性基本消失，此溫度稱為居里溫度點。7） 磁勢：建立磁通所需之外力，以F表示。8） 自感：磁通變化率與電流變化率之比稱自感，以L表示。9） 互感：由于 A 線圈電流變化而引起 B 線圈磁通變化的現(xiàn)象，B 線圈的磁通變化率與 A 線圈的電流變化率之比稱為 A 線圈對 B 線圈的互感，以M表示。1.2 基本公式法拉第電磁感應定律：穿過閉合回路的磁通發(fā)生變化，回路中會產(chǎn)生感應電流。如果回路不閉合，無感應電流，但感應電動勢依然存在

5、，感應電動勢的大小：磁場中的磁體存儲的能量為：為磁場中磁體的體積其中VBHVWm 21電學與磁學的對偶關系表：deNdt為等效磁路長度其中磁場強度為鐵窗面積其中磁通密度磁通磁勢磁導率llNIHAABRFNIFHB / / / / 圖 2.1 環(huán)形鐵心的鐵窗面積與磁路長度示意圖2 2磁元件的基本特性磁元件的基本特性2.1 磁滯效應（Hysteresis Effect）：磁化過程中，磁通密度 B 的變化較磁化力 F 的變化遲緩的現(xiàn)象稱為磁滯。2.2 霍爾效應（Hall Effect）：流過電流的導體穿過磁場時，在導體兩端產(chǎn)生感應電勢的現(xiàn)象，稱為霍爾效應。2.3 臨近效應（Proximity Eff

6、ect）流過電流的導線會產(chǎn)生磁場，相鄰的導線在相互的磁場（也可以是外加磁場）作用下會產(chǎn)生電流擠到導體一邊的現(xiàn)象成為臨近效應。R磁阻R電阻F R洛倫茲定律 I R歐姆定律H磁場強度E電場強度B磁通密度J電流密度 磁導率電阻率 磁通I電流F磁通勢電動勢磁路電路圖 3.1 磁滯曲線圖表 2.1 磁滯曲線圖圖 3.2 霍爾效應示意圖相鄰層的導線若電流方向相同，電流會往外側擠，相鄰層的導線若電流方向相反，電流會往外內側擠，如下圖所示。臨近效應會導致導體的利用率下降，銅損增加（與趨膚效應類似） 。2.4 磁材料的飽和隨著磁性材料中的磁場強度增加，其磁通密度也增大，但當磁場強度大到一定程度時，其磁通不再增加

7、(見圖 3.1 磁滯回線的 Bs)，這稱為磁飽和。2.5 磁芯損耗磁芯損耗主要由磁滯損耗和渦流損耗組成。單位體積內的磁滯損耗正比與磁場交變的頻率 f 和磁滯回線的面積。渦流損耗是指當通過磁芯的磁通交變時，會在磁芯中感應電勢，該電勢進而在磁芯中產(chǎn)生電流，從而產(chǎn)生損耗，它與磁芯材料的電阻率有關，與頻率 f 也有關。圖 3.3 鄰近效應示意圖3 3電感磁芯的分類及特點電感磁芯的分類及特點3.1 磁芯材料的分類及其特點3.1.1 鐵氧體（Ferrite）以 Fe2O3為主成分的亞鐵磁性氧化物，有 Mn-Zn、Cu-Zn、Ni-Zn 等幾類，其中 Mn-Zn 最為常用。優(yōu)點：成型容易，成本低，電阻率高，

8、高頻損耗較小。缺點：飽和磁通較低（40005000 高斯） ，居里溫度點較低。多適于 10K500KHz 頻率，較低功率的應用。常用作高頻變壓器，小功率的儲能電感等。高磁導率的鐵氧體也常用作 EMI 共模電感。常用的材質有 TDK 公司的 PC40，TOKIN 公司的BH2，Siemens 公司的 N67，Philips 公司的 3C90 等。軟軟磁磁材材料料合合金金類類粉粉芯芯類類硅鋼片鐵鎳合金 MPP晶態(tài)合金非晶態(tài)合金鐵基非晶鈷基非晶鐵鎳基非晶納米晶鐵粉芯鐵硅鋁粉芯KooL MuHigh FluxMPP粉芯鐵鐵氧氧體體Mn-ZnNi-Nn3.1.2 硅鋼片（Silicon Steel）在純

9、鐵中加入少量的硅（一般在 4.5%以下）形成的鐵硅系合金優(yōu)點：易于生產(chǎn)，成本低，飽和磁通較高（約 12000 高斯） 。缺點：電阻率低，高頻渦流損耗大。一般使用頻率不大于 400Hz，在低頻、大功率下最為適用。常用做電力變壓器，低頻電感，CT 等。常用材質有新日鐵公司的取向硅鋼 Z11（35Z155） 。3.1.3 鐵鎳合金（又稱坡莫合金或 MPP）坡莫合金常指鐵鎳系合金，鎳含量在 3090%范圍內。優(yōu)點：磁導率很高，損耗很低，高頻性能好缺點：成本高由于成本過高，目前公司內未使用。3.1.4 鐵粉芯（Iron Powder）鐵粉芯是由鐵磁性粉粒與絕緣介質混合壓制而成的一種軟磁材料，存在分散氣隙

10、（效果類似與鐵磁材料開氣隙） 。常用鐵粉芯是由碳基鐵磁粉及樹脂碳基鐵磁粉構成。優(yōu)點：磁導率隨頻率的變化較為穩(wěn)定，隨直流電流的變化也相對穩(wěn)定，成本較低。缺點：磁導率低，高頻下?lián)p耗高，有高溫老化問題。因其直流電流疊加性能好，常用于工頻或直流中疊加高頻成份的濾波和儲能電感，如 PFC 電感，INV 電感，BUCK 電路的儲能電感。常用材質為 MircoMetals 公司的-8、-26、-34、-35 系列。3.1.5 鐵硅鋁粉芯（又稱 Sendust 或 Kool Mu）構成：由約 9%Al, 5%Si, 85%Fe 粉構成。優(yōu)點：損耗較低，性價比較優(yōu)。缺點：價格比鐵粉芯略高。其直流電流疊加性能較好

11、，損耗較鐵粉芯低，可代替鐵粉芯作為UPS 中 PFC 的電感和逆變器的輸出濾波電感。常用材質為Magnetics 公司的 Kool Mu 系列，以及 Arnold 公司的Sendust（Super-MSS）系列。3.2 磁芯的外形分類：上圖磁芯的組合便可形成完整的 Core。常用 Core 的外形有：EE、EI、ETD、DR、TOROID3.3 電感的結構組成3.3.1 環(huán)型電感TOROID COREDR COREI CORE粘著樹脂（Epoxy）線圈（Coil）磁芯（Core）基座（Base）電氣引腳（Pin）引腳（通常做固定用）圖 4.1 磁芯外形圖注：磁芯表面必須有覆蓋層（Coating

12、）或用絕緣 Tape 纏繞以做絕緣，未 Coating 的磁芯一般呈灰黑色。3.3.2 EE 型電感/變壓器3.4 電感的主要類型： EMI 共模電感磁芯（Core）線圈（Coil）線圈骨架（Bobbin） Margin TapeTapeBobbin Wall線圈（Coil）圖 4.2 環(huán)形電感結構圖圖 4.3 EE 型電感/變壓器圖結構圖圖 4.4 EE 型電感/變壓器圖剖面圖 3.5 電感磁芯主要參數(shù)說明鐵窗面積 Ae ：鐵芯的有效橫截面積 銅窗面積 Aw ：可利用的繞線橫截面積繞線系數(shù) Kw ：實際有效繞線橫截面積與可利用的繞線橫截面積之比等效磁路長度 ：磁芯的等效磁路徑長度l電感系數(shù)

13、AL ：，這個系數(shù)表現(xiàn)的是同一個鐵芯的感值與圈數(shù)的關系，2NLAL可見對于確定的鐵芯，感值與圈數(shù)的平方成正比。磁芯損耗（鐵損）Pcore loss：線圈損耗（銅損）Pcoil loss：儲能電感穿線磁珠AwAeAeAwll圖 4.5 電感主要類型圖圖 4.6 磁芯參數(shù)示意圖4 電感在電感在 UPS 中的應用中的應用 圖 5.2 在線式小機常用 PFC 拓撲Vienna BOOST圖 5.3 在線式小機常用 DC-DC 拓撲PUSH-PULLAC Power1BAT+BAT-NeutralO/P.LAC Power2O/P.N+DC-DC 部分逆變部分BOOST 電感INV 電感圖 5.1 在線

14、式大機常用整機拓撲BOOST+3LEVEL BRIDGEACLD1D2D3D4D+D-C1C2Q+BUS-BUSABPFC 電感120VDCQ1Q2+BUS-BUSD1D2D3D4NPNPNSNSL1L2+DC-DC 電感Q102D102C303L101Bus+NPN+BUCK 電感以上四個主要拓撲所用的電感均為儲能或濾波電感，其中電流是直流或低頻電流（50Hz）與高頻電流（開關頻率）的疊加。EMI 共模電感為一種特殊結構的電感，其一般串在市電輸入或 UPS 輸出端，輸入零火線同時繞入并且圈數(shù)相等。當流經(jīng)電感的零火線的電流之和為零時（差模電流） ，電感由于磁通抵消的原因不表現(xiàn)出感性（此時與導線

15、無異） ，當流經(jīng)電感的零火線的電流不為零時（共模電流） ，電感表現(xiàn)出感性以抑制共模干擾信號。圖 5.4 在線式大機常用 CHGR 拓撲BUCK圖 5.5 常用三相輸入 EMI 濾波器電路RNTSRSTNEMI 共模電感5 5電感設計的原則電感設計的原則5.1 原則一：電感不飽和（感值下降不超出合理范圍）由磁滯回線圖可以看出，H 加大時，B 值也同時增加，但 H 加大到一定程度后，B 值的增加就變得越來越緩慢，直至 B 值不再變化(u值越來越小，直至為零)，這時磁性材料便飽和了。通常電路中使用的電感都不希望電感飽和（特殊應用除外） ，其工作曲線應在飽和曲線以內，Hdc 稱為直流磁場強度或直流工作

16、點。對于儲能濾波電感，由于需要承受一定的直流電流（低頻電流相對與高頻開關電流也可視為直流） ，也就是存在直流工作點 Hdc 不為零。磁芯需加氣隙才能承受較大的直流磁通，如下圖，所以該類電感通常選用鐵粉芯做磁芯（有分散氣隙） 。H HB BB BH HH Hdcdc飽和曲線工作曲線加氣隙后磁滯曲線變化圖 6.1 磁芯在直流工作點下的磁滯回線圖 6.2 磁芯加氣隙對磁滯回線的影響圖由于磁芯加了分布氣隙，其飽和過程就不是一個突變而是一個漸變的過程，所以電感的不飽和問題就轉化為電感感值在直流量下的合理下降問題。對于對于 PFC、BOOST、BUCK 以及以及 DC-DC 電感，電感的取值通電感，電感的

17、取值通常由設計要求最大紋波電流（常由設計要求最大紋波電流（Ripple Current）來決定（通常設計指）來決定（通常設計指標是最大紋波電流百分比標是最大紋波電流百分比） 。percentRippleI_其中，對于 BUCK 和 DC-DC 電感，其直流工作點（IAVG）相對恒定，如圖 是紋波電流峰峰值avgpercentRippleIIImax_maxI 這是在最大直流工作點時，所需的電感最小感值maxminIFswDVLInductor電感初始感值與最大直流工作點下感值的關系%mindcInitialLL其中與（）直接相關，只要計算出，%dcdcH /lNIHAVGdcdcHIavgI圖

18、 6.3 鐵粉芯的磁導率與直流磁場強度關系圖圖 6.4 BUCK&DC-DC 電感的電流波形圖可從磁芯廠商提供的圖表或計算公式得到。通常，無論如何設通常，無論如何設%dc計，在最大直流工作點處，計，在最大直流工作點處，都不應低于初始磁導率的都不應低于初始磁導率的 30，否，否%dc則將導致感值擺動太大而對控制器產(chǎn)生不利影響。則將導致感值擺動太大而對控制器產(chǎn)生不利影響。對于 PFC、BOOST 電感，其直流工作點是 50Hz/60Hz 的工頻信號，并不固定，如下圖。此時，最大紋波電流百分比此時，最大紋波電流百分比定義為最大紋波電流與額定輸定義為最大紋波電流與額定輸percentRippleI_入

19、電壓下的電感電流峰值之比。入電壓下的電感電流峰值之比。avgpeakpercentRippleIII_max_注意，BOOST 拓撲的最大紋波電流發(fā)生在輸入瞬時電壓為 BUS 電壓一半處，此時占空比為 0.5。maxmaxmin4121IFswVIFswDVLbusbus，注意，此處的直流工作點是輸入瞬時電壓為%mindcInitialLLBUS 電壓一半時對應的輸入瞬時電流。同時，在最惡劣條件的最大直流工作點下（低壓滿載輸入電流的峰同時，在最惡劣條件的最大直流工作點下（低壓滿載輸入電流的峰值）值） ，也都不應低于初始磁導率的也都不應低于初始磁導率的 30。%dc對于對于 INV 電感，電感的

20、取值通常看控制器能否可靠限流來決定。電感，電感的取值通?？纯刂破髂芊窨煽肯蘖鱽頉Q定。由于 INV 電感需承受 RCD 等非線性沖擊負載，所以 UPS 通常有波峰因數(shù)比大于 3：1 的要求，考慮實際逆變限流會稍大于 3:1，通常取到 4：1，所以，INV 電感的最大直流工作點可以設為 4:1（4 倍于額定負載下的電感電流有效值） 。當然，若波峰因數(shù)規(guī)格要求改變，需要做相應調整。最大直流工作點下，最大直流工作點下，不應低于初始磁導率的不應低于初始磁導率的 30，否則很可能，否則很可能%dc造成限流不可靠而損壞造成限流不可靠而損壞 INV 開關管。開關管。Ipeak_avg圖 6.4 PFC&BOO

21、ST 電感的電流波形圖感值確定后，選擇恰當?shù)拇判荆橐?guī)格可得其 AL值，用以下公式就可算出匝數(shù)。LALN 5.2 原則二：電感損耗導致的溫升在允許的范圍內（考慮使用壽命）電感主要由磁芯、線圈組成，所以其溫度要求也由這兩方面的限制構成。磁芯（磁芯（Core）：）：儲能電感的磁芯有鐵粉芯、鐵硅鋁粉芯、鐵氧體等構成，目前使用最多的是鐵粉芯。鐵粉芯存在高溫老化導致失效的問題，其失效機理可解釋如下：鐵粉芯是由鐵磁性粉粒與絕緣介質混合壓制而成，鐵粉芯是由鐵磁性粉粒與絕緣介質混合壓制而成，絕緣介質通常是高分子聚合物樹脂類構成，其在高溫下絕緣性能絕緣介質通常是高分子聚合物樹脂類構成，其在高溫下絕緣性能會慢慢劣

22、化，鐵磁材料間的電阻會越來越小，從而磁芯的渦流損耗會慢慢劣化，鐵磁材料間的電阻會越來越小，從而磁芯的渦流損耗越來越大，大的損耗導致更高的溫升，這樣便形成了正反饋，這稱越來越大，大的損耗導致更高的溫升，這樣便形成了正反饋，這稱為熱跑脫效應（為熱跑脫效應（Thermal Run away） 。鐵粉芯磁芯的壽命便是由熱跑。鐵粉芯磁芯的壽命便是由熱跑脫效應決定的，其與溫度、工作頻率和磁通密度都有關系。脫效應決定的，其與溫度、工作頻率和磁通密度都有關系。目前公司使用較多的 MicroMetals 公司的鐵粉芯存在上述問題。但也需提醒的是，如絕緣介質無高溫劣化問題，磁芯便不會有熱跑脫效應，這與各公司的使用

23、的材料和工藝有關，并不絕對。磁芯的溫升與磁芯損耗直接相關，如前所述，磁芯損耗主要由磁滯損耗和渦流損耗構成，對于粉芯類磁芯，由于磁材料間絕緣阻抗很大，渦流損耗幾乎可以忽略不計（但熱跑脫效應是由于渦流損耗越來越大引起） 。磁滯損耗只與頻率和交流磁通密度（磁滯回線面B積）有關，與其直流工作點磁通密度關系不大，以下公式是dcBMicroMetals 公司鐵粉芯磁芯損耗計算的經(jīng)驗公式：2265. 13 . 233_)/(BdfBcBbBafcmmWPlosscore其中為開關工作頻率，B（單位 Gauss）為一個開關周期內交流磁f通密度的峰值，其為個開關周期內交流磁通密度峰峰值的一半（） 。為常數(shù)，與材

24、質有關，常用材質常數(shù)見下表。BB2dcba,Materialsabcd-81.910e92.010e89.010e52.510e-14-261.010e91.110e81.910e61.910e-13-341.110e93.310e72.510e67.710e-14-353.710e82.210e72.210e61.10e-13對于 BUCK 和 DC-DC 電感，穩(wěn)態(tài)工作時，脈寬也基本穩(wěn)定，所以B 值很容易確定。但對于但對于 PFC、BOOST 和和 INV 電感，其脈寬一直電感，其脈寬一直是變動的，是變動的，B 值也一直是變動的，所以在一個工頻周期內的瞬時損耗值也一直是變動的，所以在一個工

25、頻周期內的瞬時損耗也是不定的，這時的損耗應以一個工頻周期的平均值也是不定的，這時的損耗應以一個工頻周期的平均值來衡來衡avglosscoreP_量量。我們知道最大電流紋波發(fā)生在輸入（或輸出）是輸出（或輸入）電壓一半的時候得到，其實此時也是瞬時交流磁通密度達到最大的時候，稱之為，所以此時的瞬時損耗也達到最大。經(jīng)過理論計算peakB與實踐檢驗，發(fā)現(xiàn)最惡劣條件下與有如下關系：peaklosscoreP_avglosscoreP_BOOSTBOOST 拓撲：拓撲：0.70.7avglosscoreP_peaklosscoreP_INVINV 部分：部分：KKavglosscoreP_peaklossc

26、oreP_其中 K 與電路拓撲以及輸出電壓調制比（）有關。下BUSppoVV2_圖是半橋和全橋逆變拓撲的電壓調整率與 K 的關系。公司目前 BUS 電壓介于 340V400V 間，所以電壓調整率介于0.70.9 間，由圖可看出 K 介于 0.350.6 范圍。線圈（線圈（Coil）：）：圖 6.4 平均功率與峰值功率比和電壓調整率關系圖線圈的損耗是電流在導線電阻上產(chǎn)生的。電感中導線的電流通常包含工頻或直流成分的低頻電流和開關頻率的高頻電流。其電流有效值為 HFrmsLFrmsrmsIII_為簡化計算，當最大紋波電流小于為簡化計算，當最大紋波電流小于 20時，可基本忽略其影響，時，可基本忽略其影

27、響，當最大紋波電流大于，當最大紋波電流大于 20時，需計算此電流的有效值時，需計算此電流的有效值LFrmsrmsII_。同時，當最大紋波電流大于。同時，當最大紋波電流大于 20時，需考慮時，需考慮HFrmsLFrmsrmsIII_導線的趨膚效應的影響，否則，可以忽略。導線的趨膚效應的影響，否則，可以忽略。導線的損耗與電流密度有直接的關系，通常電流密度都會在感J值與繞線系數(shù)間折中。在自然冷卻條件下：在自然冷卻條件下： 通常取（通常取（23 A/mm2）J在風冷條件下：在風冷條件下： 通常?。ㄍǔＨ。?9 A/mm2）J磁損與銅損的比例：磁損與銅損的比例：磁芯的材料（除硅鋼片較好外）通常是熱的不良導體，熱阻較高，而銅線是熱的良導體，熱阻很小。再加上通常用的環(huán)形磁芯都是線圈包住鐵芯（內鐵式） 。因此線圈上的熱量可以較磁芯上的熱量更好地散發(fā)出去。為保證鐵芯溫度可以受控制