電感的設(shè)計(jì)過(guò)程

摘要：介紹了電感的設(shè)計(jì)過(guò)程和方法，并列舉了一個(gè)大功率電感的設(shè)汁方法，通過(guò)理論和實(shí)際的結(jié)合完成了設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：電感：設(shè)計(jì)：方式0引言磁性元件與其它電氣元件不同，使用者很難采購(gòu)到符合自己要求的電感。相反，具體設(shè)計(jì)一個(gè)磁性元件可以綜合考慮成本、體積、重量和制造的困難程度，可以獲得一個(gè)較滿意的結(jié)果。設(shè)計(jì)一個(gè)電感首先要選擇磁芯材料和形狀，然后確左磁芯體積大小，然后再計(jì)算線圈的匝數(shù)和線圈截而積，接著再估算氣隙長(zhǎng)度，最后根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整設(shè)訃。1磁性材料的選擇任選用磁性材料時(shí)，考慮的因素是工作開(kāi)關(guān)頻率、磁通密度、磁導(dǎo)率、損耗大小、工作環(huán)境及材料的價(jià)格。如果開(kāi)關(guān)頻率較低，可以考慮選擇硅鋼帶和鐵銀合金。硅鋼帶具有高的飽和磁通密度，而且價(jià)格低廉，是低頻場(chǎng)合運(yùn)用最為廣泛的磁性材料，它的磁芯損耗取決于帶的厚度和硅的含量，硅含量越高，電阻率越大，則損耗越?。昏F鐮合金具有極高的磁導(dǎo)率，極低的嬌頑磁力，但是其電阻率比較低，只能用在低頻場(chǎng)合，同時(shí)價(jià)格也比較高，通常用在工作環(huán)境溫度高，體積要求嚴(yán)格的軍工產(chǎn)品中。如果開(kāi)關(guān)頻率較高，可以考慮使用鐵氧體和非晶態(tài)合金。鐵氧體最高頻率可以達(dá)到1MHz而且電阻率高，高頻損耗小，但是其飽和磁感應(yīng)比較低，而且受溫度影響大，在常溫(25°C)的0.42T到1OO'C時(shí)的0.34T。鐵氧體目前有多種材料和磁芯規(guī)格，而且價(jià)格比其它材料低,是目前開(kāi)關(guān)電源中應(yīng)用最為廣泛的材料。非晶態(tài)合金適用于幾十到幾百kHz的工作頻率，比鐵氧體有更高的飽和磁感應(yīng)和相對(duì)較高的損耗和溫度穩(wěn)定性，但是價(jià)格比較昂貴，而且磁芯的規(guī)格也不完善，適用于大功率或者耐受高溫和沖擊的軍用場(chǎng)合。2磁芯形狀目前磁芯有罐型、PM、RM、PQ、EE、EC、EP、ETD、RC、UU＞和UI各種型號(hào)，以及新發(fā)展的平而磁芯，如EFD、EPC、LP型等磁芯。罐型和PQ型磁芯有較小的窗口面積，減小了EMI傳播，用于EMC要求嚴(yán)格的場(chǎng)合。但是其窗口寬度不是很大，只能用于125W以下的低功率場(chǎng)合。大功率應(yīng)用散熱困難。因?yàn)橐鼍€缺口小，大電流出線困難，也不適用于高壓場(chǎng)合，因?yàn)槌鼍€的安全絕緣處理困難。EE、EC、ETD、LP磁芯都是E型磁芯，有較大的窗口而積，窗口寬而且高度低，漏磁及線圈層數(shù)少，高頻交流電阻小。開(kāi)放式的窗口沒(méi)有出線問(wèn)題，線圈與外界空氣接觸而大，有利于空氣流通，散熱方便，可以處理大功率，但電磁干擾大。EC、ETD磁芯的中柱圓形截而與EE型相同矩形截而積時(shí)，圓形截而每匝線罔比矩形短大約11%,即電阻少11%,線圈的損耗和溫升也相應(yīng)降低，但是沒(méi)有EE型磁芯的尺寸齊全，不能像EE型磁芯一樣合并使用。RM和PM磁芯比罐型有更大的出線窗口和好的散熱條件，所以，可以傳送更大的功率。RM磁芯有兩種結(jié)構(gòu)，有中心孔和沒(méi)中心孔。在有些諧振電路中要求準(zhǔn)確的調(diào)諧，使用帶有中心孔的磁芯，在中心孔插入磁棒調(diào)肖電感量，調(diào)節(jié)范用可以到達(dá)30%。但在功率磁芯中不采用，因?yàn)榇虐魮p耗大。PQ型具有最佳的體積與輻射表面和線圈窗口而積比。因磁芯損耗正比于磁芯體積，而散熱能力正比于輻射表面，該形狀磁芯在給左輸出功率下而有最小的溫升，因此，在給龍輸出功率下體積最小。LP、EFD、EPC型磁芯主要為平而變壓器設(shè)計(jì)的。中柱長(zhǎng)，漏感最小。但是，囚為體積小，磁通密度和磁場(chǎng)變化處處都是重要的區(qū)域，汁算相當(dāng)困難。UU型和UI型主要用在高壓和大功率的水平，很少用在IkW以下。他們比EE型有更大的窗口，可以用更粗的導(dǎo)線和更多的匝數(shù)。但磁路長(zhǎng)度大，比EE型有更大的漏感。對(duì)于環(huán)型磁芯，線圈均勻分布在整個(gè)磁芯上，雜散磁通和EMI擴(kuò)散都很小，但是大功率繞線困難。3磁芯尺寸任磁芯材料和磁芯形狀確左了以后，下一步工作就是估算磁芯尺寸。肖功率比較小時(shí)，比較通用的方法是而積乘積法，它是磁芯截而積和線圈有效窗口而積的乘積。3.1損耗不嚴(yán)重當(dāng)損耗不嚴(yán)重，經(jīng)驗(yàn)公式如式(1)所列。￡AP=AA4=什 ⑴e式中：AW為窗口而積；Ae為磁芯截而積：IF1為滿載電流有效值：Ip為最大峰值電流：Bmax為磁芯的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。3.2損耗嚴(yán)重?fù)p耗嚴(yán)重時(shí)，經(jīng)驗(yàn)公式如式(2)所列。(rni4'式中：ARmax為最大磁通密度擺幅:K1及K2系數(shù)的取值如表I所列。表I心及兒和電感類型的關(guān)系應(yīng)用單線圈電感0.030.021多線圈濾波電感0.0270.019Buck/Boost電感().013(1009反激變換器0.00850.006這種方法計(jì)算出來(lái)的尺寸不是很準(zhǔn)確，但是可以減少迭代的次數(shù)。在大功率條件下，上而公式不建議采用，應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇磁芯尺寸，然后根據(jù)磁芯尺寸算出匝數(shù)、氣隙等各種參數(shù)，最后再校驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性。4線圈匝數(shù)的計(jì)算由安培環(huán)路定律，可得N[=HL=H0+HL (3)式中：HB為氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度：6為氣隙長(zhǎng)度：Ho為磁芯磁場(chǎng)強(qiáng)度；Lo為磁芯磁路長(zhǎng)度。由于空氣的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)低于磁芯的磁導(dǎo)率，所以，式(3)可以近似成為耳)電感公式為聯(lián)立式(4)、式(5),可以得到⑸*小mx式(6)就為線圈匝數(shù)估算公式，苴中電流取電感的最 (6)大峰值電流Ip。 ()5代隙估算高磁導(dǎo)率磁芯材料只能儲(chǔ)存很少的能量，而電感是一個(gè)儲(chǔ)能裝卷，為了有效地儲(chǔ)存能屋和把能量返回到電路中去，由氣隙儲(chǔ)能的關(guān)系.可得WRr色如晉L二氣吃(7)幾“孕2可知，在磁芯不飽和的情況下，磁導(dǎo)率不能太高，也不能太小，因此，可以在高磁導(dǎo)率的磁芯中串聯(lián)一個(gè)非磁氣隙，用來(lái)調(diào)整有效磁導(dǎo)率。加了非磁氣隙之后，由于氣隙的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于磁芯的磁導(dǎo)率，因此，大部分能量就儲(chǔ)存在氣隙當(dāng)中，這樣我們就可以根據(jù)能量守恒近似地估算出氣隙的大小，具體公式如式(8)所列。%”箸斗倡2 (8)把L、Ip、po、Bmax代入式⑻求出V,然后根據(jù)磁芯所開(kāi)氣隙的截而積就可以近似地算出氣隙大小。6計(jì)算導(dǎo)體尺寸6.1集膚效應(yīng)導(dǎo)線通過(guò)交變電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生集膚效應(yīng)，即導(dǎo)線橫截面的電流分布不均勻，內(nèi)部電流密度小，表而電流密度大，使導(dǎo)線的有效截而積減少，英有效截面積的減少可以用穿透深度△來(lái)表示，△的意義如下，從表而到電流密度下降到表而電流密度的0.368的厚度為穿透深度△，即認(rèn)為表而下降深度為△的厚度導(dǎo)體流過(guò)導(dǎo)線的全部電流，而在△層以內(nèi)的導(dǎo)體完全不流過(guò)電流，△與頻率⑴和導(dǎo)線物理性能的關(guān)系為式中：po為導(dǎo)線材料的磁導(dǎo)率:7=—P為材料的電導(dǎo)率:K為材料電導(dǎo)率溫度系數(shù):T為導(dǎo)線溫度。所以在選擇繞組的導(dǎo)線線徑時(shí)，應(yīng)使線徑小于兩倍穿透深度。6.2電流密度任大功率條件下，電流密度的選擇一般在2.53A/mm2,在自然冷卻條件下，一般選取電流密度4-6.5A/mm2：在模塊電源中，磁器件有良好的散熱條件，一般電流密度到達(dá)8A/mm2,甚至可以到達(dá)10/mm2u電流密度選擇高，導(dǎo)線的截而積小，相同窗口繞更多的導(dǎo)線，且是導(dǎo)線電阻大，銅損也大。當(dāng)汁算得到的線徑大于穿透深度決立的最大線徑時(shí)，可以采用多股導(dǎo)線并繞或者采用銅帶，使厚度小于兩倍穿透深度。7設(shè)計(jì)舉例本人設(shè)計(jì)了一個(gè)雙降壓式半橋逆變器的濾波電感，逆變器輸出115V/400Hz和220V/50Hz的三相交流電，輸出最大功率為50kVA,電感電流連續(xù)，電感大小為180pH每相兩個(gè)電感分別在半個(gè)周期里輪流工作，流過(guò)電感的滿載電流為122A.最大電流為250A,最大開(kāi)關(guān)頻率25kHz具體設(shè)計(jì)過(guò)程如下。7.1磁芯材料選擇由于功率管的最大開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到25kHz這個(gè)頻率對(duì)于硅鋼帶來(lái)說(shuō)太高，不適合選擇，而鐵氧體和非晶態(tài)合金都比較適合，但考慮到功率太大，磁芯體積會(huì)比較大，而且需要的電感個(gè)數(shù)為6個(gè)，如果選用非晶態(tài)合金成本太高，所以最終還是選擇鐵氧體LP3，其工作頻率在100kHz以上，在100°C時(shí)的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度為O.38T，價(jià)格相對(duì)低廉。7.2磁芯形狀根據(jù)前而介紹的磁芯形狀可知，在大功率條件下，E型和UU型、UT型磁芯都比較適合選擇，為了減小漏感，我們選用FEE型鐵芯。7.3磁芯尺寸由于電感功率很大，如果根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，算出的Ap=ll511cm2，顯然不符合實(shí)際，所以

單個(gè)磁芯具不能按照經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)指導(dǎo)磁芯尺寸的選擇，只能按照設(shè)訃經(jīng)驗(yàn)來(lái)選擇磁芯尺寸。我們選擇了由新康達(dá)磁芯公司生產(chǎn)的EEI85磁芯，如圖1所示，把兩副拼在一起組成一個(gè)磁芯，單個(gè)磁芯具體尺寸如表2所示。圖IEE185圖IEE185外形圖表2 EE185磁芯尺寸 mmABC!)EF1857727.553128507.4匝數(shù)計(jì)算4=2xCxP=2x27?5x53xlO6=2915xlO-3m2e心“二180乂10軟250 73-A;Tf^.915xl0-\0.38 *7.5氣隙大小計(jì)算由能量守恒，可得Vx 0.382 =*xl80xg25(F2x4ttx107V=979()2nmf,5=I7=a~=33-5inm由于兩邊都開(kāi)代隙，所以3=l-=16.75mm7.6確定導(dǎo)體尺寸設(shè)銅皮工作時(shí)的溫度為80°C,則K=1+(7-20)/234.5=1.26;①二2t[/±6.28x25000二1.57x1(Trad/sa=a)=47rxl0?7；尸58x100*,,人 212廠1?57xlO5x4irxl()：7x58x106=4.7x10Amo所以選擇銅皮厚度小于兩倍穿透深度2x0.47=0.94mm.選擇電流密度3A/mm2,122A滿載電流需要導(dǎo)體截面積40.67mm2,選擇導(dǎo)體厚度為0.5mm,寬度取90mmo7.7驗(yàn)證驗(yàn)證磁芯在電流最大時(shí)是否飽和。市NI=ll』一8A4A)-41x250x4zrrx10* >(5?—33.5x10-3 "u-可知：電流達(dá)到250A時(shí)不飽和。按照上而的設(shè)計(jì)做出一個(gè)電感，得到的感值為366pH,如果要使電感為180|jH,實(shí)際氣隙6=48mm,顯然不合適，所以要在前面設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，鑒于電感值偏大，由式(5)可知，在氣隙和磁芯大小不變時(shí)，感值和匝數(shù)的平方成正比。所以我們保持理論汁算出的氣隙不變，減小匝數(shù)，就可以減小感值，而且由式(4)，減小匝數(shù)磁芯肯左不會(huì)飽和，我們測(cè)出了匝數(shù)為41匝時(shí)電感大小與氣隙大小的關(guān)系，如表3所列，這樣可以算出調(diào)整后的匝數(shù)，即M二史X41=28.7,取29匝。表3匝數(shù)一定時(shí)電感與氣隙大小的關(guān)系氣隙/mm感值鐘4.5635.79531.913435.217366.222318.227276.232243.648184調(diào)整后（匝數(shù)為29匝）實(shí)際測(cè)量出氣隙為17mm,感值為180pHo8結(jié)語(yǔ)磁芯元件的設(shè)il?很復(fù)雜，要直接得到唯一的答案是很困難的，因?yàn)橐婕暗胶芏嘁蛩?，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該根據(jù)理論分析和實(shí)踐來(lái)逐步完善設(shè)計(jì)，最終得到一個(gè)符合工作要求的電感。豆丁網(wǎng)（Docln）是全球優(yōu)秀的C2C文檔銷售與分享社區(qū)。豆丁允許用戶上傳包括.pdf,.doc,.ppt,.txt在內(nèi)的數(shù)十種格式的文檔文件，并以FlashPlayer的形式在網(wǎng)頁(yè)中直接展示給讀者。簡(jiǎn)而言之，豆丁就如同文檔版的Youtube,現(xiàn)在每天都有數(shù)以萬(wàn)計(jì)的文檔會(huì)上傳到豆丁，正基于此，豆丁將致力構(gòu)建全球最大的中文圖書館。豆丁努力使世界上任何人都能夠自由地發(fā)揮他們的創(chuàng)造力。文檔資料只通過(guò)少數(shù)、單一的出版物來(lái)傳播的時(shí)代已經(jīng)結(jié)束?，F(xiàn)在，互聯(lián)網(wǎng)給文檔資料提供了世界范用內(nèi)的傳播渠道，豆丁希望能夠給每個(gè)獨(dú)立的文檔持有者利用這個(gè)新機(jī)會(huì)的方法?，F(xiàn)在，我們?yōu)樵瓌?chuàng)人群