电感元件设计规范

1 1电磁学基本概念及公式电磁学基本概念及公式.2 1.1基本概念.2 1.2基本公式.2 2 2磁元件的基本特性磁元件的基本特性.3 2.1磁滞效应（HYSTERESIS EFFECT）：.3 2.2霍尔效应（HALL EFFECT）： .3 2.3临近效应（PROXIMITY EFFECT）.3 2.4磁材料的饱和.4 2.5磁芯损耗.4 3 3电感磁芯的分类及特点电感磁芯的分类及特点.5 3.1磁芯材料的分类及其特点.5 3.1.1铁氧体（Ferrite）.5 3.1.2硅钢片（Silicon Steel）.6 3.1.3铁镍合金（又称坡莫合金或MPP）.6 3.1.4铁粉芯（Iron Powder）.6 3.1.5铁硅铝粉芯（又称Sendust或Kool Mu）.6 3.2磁芯的外形分类：.6 3.3电感的结构组成.7 3.3.1环型电感.7 3.3.2EE型电感/变压器.8 3.4电感的主要类型：.8 3.5电感磁芯主要参数说明.9 4电感在电感在 UPS 中的应用中的应用.9 5 5电感设计的原则电感设计的原则.12 5.1原则一：电感不饱和（感值下降不超出合理范围）.12 5.2原则二：电感损耗导致的温升在允许的范围内（考虑使用寿命）.15 5.3原则三：电感的工艺要求可以达成.17 6电感设计规范表电感设计规范表.18 目的 磁性元件的设计是开关电源设计中的重点和难点，究其原因是磁性 元件属非标准件，其设计时需考虑的设计参数众多，工艺问题也较为突 出，分布参数复杂。为帮助硬件工程师尽快了解磁性元件，优化设计并 减少设计中的错误，特制定此规范。 1 1电磁学基本概念及公式电磁学基本概念及公式 1.1 基本概念 1） 磁通：穿过磁路的磁力线的总数，以表示，单位韦伯（Wb） 。 2） 磁通密度（磁感应强度）：垂直于磁力线的方向上单位面积的磁通量， 以B表示，单位高斯（Gauss）或特斯拉（T） ，1 T=104 Gauss。 3） 磁场强度：单位磁极在磁场中的磁力，以H表示，单位安培每米 （A/m）或奥斯特（Oe） ，1 Oe=103/4 A/m。 4） 磁导率：磁通密度与磁场强度之比，以表示，实际使用中通常指相 对于真空的磁导率，真空中的磁导率0 =410-7 H/m。 5） 磁体：磁导率远大于0 的物质，如铁，镍，钴及其合金或氧化物等。 6） 居里温度点：磁体在温度升高时，其磁导率下降，当温度高到某一点 时，磁性基本消失，此温度称为居里温度点。 7） 磁势：建立磁通所需之外力，以F表示。 8） 自感：磁通变化率与电流变化率之比称自感，以L表示。 9） 互感：由于 A 线圈电流变化而引起 B 线圈磁通变化的现象，B 线圈的 磁通变化率与 A 线圈的电流变化率之比称为 A 线圈对 B 线圈的互感，以 M表示。 1.2 基本公式 法拉第电磁感应定律： 穿过闭合回路的磁通发生变化，回路中会产生感应电流。如果回路不闭 合，无感应电流，但感应电动势依然存在，感应电动势的大小： 磁场中的磁体存储的能量为： 为磁场中磁体的体积其中VBHVWm 2 1 电学与磁学的对偶关系表： d eN dt 为等效磁路长度其中磁场强度 为铁窗面积其中磁通密度 磁通 磁势 磁导率 llNIH AAB RF NIF HB / / / / 图 2.1 环形铁心的铁窗 面积与磁路长度示意图 2 2磁元件的基本特性磁元件的基本特性 2.1 磁滞效应（Hysteresis Effect）： 磁化过程中，磁通密度 B 的变化较磁化力 F 的变化迟缓的现象称为 磁滞。 2.2 霍尔效应（Hall Effect）： 流过电流的导体穿过磁场时，在导体两端产生感应电势的现象，称 为霍尔效应。 2.3 临近效应（Proximity Effect） 流过电流的导线会产生磁场，相邻的导线在相互的磁场（也可以是 外加磁场）作用下会产生电流挤到导体一边的现象成为临近效应。 R磁阻R电阻 F R洛伦兹定律 I R欧姆定律 H磁场强度E电场强度 B磁通密度J电流密度 磁导率电阻率 磁通I电流 F磁通势电动势 磁路电路 图 3.1 磁滞曲线图 表 2.1 磁滞曲线图 图 3.2 霍尔效应示意图 相邻层的导线若电流方向相同，电流会往外侧挤，相邻层的导线若 电流方向相反，电流会往外内侧挤，如下图所示。临近效应会导致 导体的利用率下降，铜损增加（与趋肤效应类似） 。 2.4 磁材料的饱和随着磁性材料中的磁场强度增加，其磁通密度也增大，但 当磁场强度大到一定程度时，其磁通不再增加(见图 3.1 磁滞回线的 Bs)，这 称为磁饱和。 2.5 磁芯损耗 磁芯损耗主要由磁滞损耗和涡流损耗组成。 单位体积内的磁滞损耗正比与磁场交变的频率 f 和磁滞回线的面积。 涡流损耗是指当通过磁芯的磁通交变时，会在磁芯中感应电势，该电 势进而在磁芯中产生电流，从而产生损耗，它与磁芯材料的电阻率有 关，与频率 f 也有关。 图 3.3 邻近效应示意图 3 3电感磁芯的分类及特点电感磁芯的分类及特点 3.1 磁芯材料的分类及其特点 3.1.1 铁氧体（Ferrite） 以 Fe2O3为主成分的亚铁磁性氧化物，有 Mn-Zn、Cu-Zn、Ni-Zn 等几类，其中 Mn-Zn 最为常用。 优点：成型容易，成本低，电阻率高，高频损耗较小。 缺点：饱和磁通较低（40005000 高斯） ，居里温度点较低。 多适于 10K500KHz 频率，较低功率的应用。常用作高频变压 器，小功率的储能电感等。高磁导率的铁氧体也常用作 EMI 共模 电感。常用的材质有 TDK 公司的 PC40，TOKIN 公司的 BH2，Siemens 公司的 N67，Philips 公司的 3C90 等。 软软磁磁材材料料 合合金金类类 粉粉芯芯类类 硅钢片 铁镍合金 MPP 晶态合金 非晶态 合金 铁基非晶 钴基非晶 铁镍基非晶 纳米晶 铁粉芯 铁硅铝粉芯KooL Mu High Flux MPP粉芯 铁铁氧氧体体 Mn-Zn Ni-Nn 3.1.2 硅钢片（Silicon Steel） 在纯铁中加入少量的硅（一般在 4.5%以下）形成的铁硅系合金 优点：易于生产，成本低，饱和磁通较高（约 12000 高斯） 。 缺点：电阻率低，高频涡流损耗大。 一般使用频率不大于 400Hz，在低频、大功率下最为适用。常用 做电力变压器，低频电感，CT 等。常用材质有新日铁公司的取向 硅钢 Z11（35Z155） 。 3.1.3 铁镍合金（又称坡莫合金或 MPP） 坡莫合金常指铁镍系合金，镍含量在 3090%范围内。 优点：磁导率很高，损耗很低，高频性能好 缺点：成本高 由于成本过高，目前公司内未使用。 3.1.4 铁粉芯（Iron Powder） 铁粉芯是由铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成的一种软磁材料， 存在分散气隙（效果类似与铁磁材料开气隙） 。常用铁粉芯是由 碳基铁磁粉及树脂碳基铁磁粉构成。 优点：磁导率随频率的变化较为稳定，随直流电流的变化也相对 稳定，成本较低。 缺点：磁导率低，高频下损耗高，有高温老化问题。 因其直流电流叠加性能好，常用于工频或直流中叠加高频成份的 滤波和储能电感，如 PFC 电感，INV 电感，BUCK 电路的储能电 感。常用材质为 MircoMetals 公司的-8、-26、-34、-35 系列。 3.1.5 铁硅铝粉芯（又称 Sendust 或 Kool Mu） 构成：由约 9%Al, 5%Si, 85%Fe 粉构成。 优点：损耗较低，性价比较优。 缺点：价格比铁粉芯略高。 其直流电流叠加性能较好，损耗较铁粉芯低，可代替铁粉芯作为 UPS 中 PFC 的电感和逆变器的输出滤波电感。常用材质为 Magnetics 公司的 Kool Mu 系列，以及 Arnold 公司的 Sendust（Super-MSS）系列。 3.2 磁芯的外形分类： 上图磁芯的组合便可形成完整的 Core。 常用 Core 的外形有：EE、EI、ETD、DR、TOROID 3.3 电感的结构组成 3.3.1 环型电感 TOROID CORE DR CORE I CORE 粘着树脂 （Epoxy） 线圈 （Coil） 磁芯（Core） 基座 （Base） 电气引脚 （Pin） 引脚（通常做固定用） 图 4.1 磁芯外形图 注：磁芯表面必须有覆盖层（Coating）或用绝缘 Tape 缠绕以做 绝缘，未 Coating 的磁芯一般呈灰黑色。 3.3.2 EE 型电感/变压器 3.4 电感的主要类型： EMI 共模电感 磁芯（Core） 线圈 （Coil） 线圈骨架（Bobbin） Margin Tape Tape Bobbin Wall 线圈 （Coil） 图 4.2 环形电感结构图 图 4.3 EE 型电感/变压器图结构图 图 4.4 EE 型电感/变压器图剖面图 3.5 电感磁芯主要参数说明 铁窗面积 Ae ：铁芯的有效横截面积 铜窗面积 Aw ：可利用的绕线横截面积 绕线系数 Kw ：实际有效绕线横截面积与可利用的绕线横截面积之 比 等效磁路长度 ：磁芯的等效磁路径长度l 电感系数 AL ：，这个系数表现的是同一个铁芯的感值与圈数的关系， 2 N L AL 可见对于确定 的铁芯，感值与圈数的平方成正比。 磁芯损耗（铁损）Pcore loss： 线圈损耗（铜损）Pcoil loss： 储能电感穿线磁珠 Aw Ae Ae Aw l l 图 4.5 电感主要类型图 图 4.6 磁芯参数示意图 4 电感在电感在 UPS 中的应用中的应用 图 5.2 在线式小机常用 PFC 拓扑Vienna BOOST 图 5.3 在线式小机常用 DC-DC 拓扑PUSH-PULL AC Power1 BAT+ BAT- Neutral O/P.L AC Power2 O/P.N + + DC-DC 部分 逆变部分 BOOST 电感 INV 电感 图 5.1 在线式大机常用整机拓扑BOOST+3LEVEL BRIDGE AC L D1D2 D3 D4 D+ D- C1 C2 Q +BUS -BUS A B PFC 电感 120VDC Q1 Q2 +BUS -BUS D1D2 D3 D4 NP NP NS NS L1 L2 + + DC-DC 电感 Q102 D102 C303 L101 Bus+ N P N + BUCK 电感 以上四个主要拓扑所用的电感均为储能或滤波电感，其中电流是直流或 低频电流（50Hz）与高频电流（开关频率）的叠加。 EMI 共模电感为一种特殊结构的电感，其一般串在市电输入或 UPS 输出 端，输入零火线同时绕入并且圈数相等。当流经电感的零火线的电流之 和为零时（差模电流） ，电感由于磁通抵消的原因不表现出感性（此时与 导线无异） ，当流经电感的零火线的电流不为零时（共模电流） ，电感表 现出感性以抑制共模干扰信号。 图 5.4 在线式大机常用 CHGR 拓扑BUCK 图 5.5 常用三相输入 EMI 滤波器电路 R N T S R S T N EMI 共模电感 5 5电感设计的原则电感设计的原则 5.1 原则一：电感不饱和（感值下降不超出合理范围） 由磁滞回线图可以看出，H 加大时，B 值也同时增加，但 H 加大 到一定程度后，B 值的增加就变得越来越缓慢，直至 B 值不再变化(u 值越来越小，直至为零)，这时磁性材料便饱和了。通常电路中使用 的电感都不希望电感饱和（特殊应用除外） ，其工作曲线应在饱和曲 线以内，Hdc 称为直流磁场强度或直流工作点。 对于储能滤波电感，由于需要承受一定的直流电流（低频电流相对 与高频开关电流也可视为直流） ，也就是存在直流工作点 Hdc 不为零。 磁芯需加气隙才能承受较大的直流磁通，如下图，所以该类电感通 常选用铁粉芯做磁芯（有分散气隙） 。 H H B B B B H H H Hdc dc 饱和曲线 工作曲线 加气隙后磁滞曲线变化 图 6.1 磁芯在直流工作点下的磁滞回线 图 6.2 磁芯加气隙对磁滞回线的影响图 由于磁芯加了分布气隙，其饱和过程就不是一个突变而是一个渐变 的过程，所以电感的不饱和问题就转化为电感感值在直流量下的合 理下降问题。 对于对于 PFC、BOOST、BUCK 以及以及 DC-DC 电感，电感的取值通电感，电感的取值通 常由设计要求最大纹波电流（常由设计要求最大纹波电流（Ripple Current）来决定（通常设计指）来决定（通常设计指 标是最大纹波电流百分比标是最大纹波电流百分比） 。 percentRipple I _ 其中，对于 BUCK 和 DC-DC 电感，其直流工作点（IAVG）相对恒定， 如图 是纹波电流峰峰值 avg percentRipple I I I max _ max I 这是在最大直流工作点时，所需的电感最小感值 max min IFsw DV L Inductor 电感初始感值与最大直流工作点下感值的关系 % mindcInitial LL 其中与（）直接相关，只要计算出，% dc dc H /lNIH AVGdc dc H Iavg I 图 6.3 铁粉芯的磁导率与直流磁场强度关系图 图 6.4 BUCK&DC-DC 电感的电流波形图 可从磁芯厂商提供的图表或计算公式得到。通常，无论如何设通常，无论如何设% dc 计，在最大直流工作点处，计，在最大直流工作点处，都不应低于初始磁导率的都不应低于初始磁导率的 30，否，否% dc 则将导致感值摆动太大而对控制器产生不利影响。则将导致感值摆动太大而对控制器产生不利影响。 对于 PFC、BOOST 电感，其直流工作点是 50Hz/60Hz 的工频信号， 并不固定，如下图。 此时，最大纹波电流百分比此时，最大纹波电流百分比定义为最大纹波电流与额定输定义为最大纹波电流与额定输 percentRipple I _ 入电压下的电感电流峰值之比。入电压下的电感电流峰值之比。 avgpeak percentRipple I I I _ max _ 注意，BOOST 拓扑的最大纹波电流发生在输入瞬时电压为 BUS 电压 一半处，此时占空比为 0.5。 maxmax min 4 1 2 1 IFsw V IFsw DV L busbus ，注意，此处的直流工作点是输入瞬时电压为% mindcInitial LL BUS 电压一半时对应的输入瞬时电流。 同时，在最恶劣条件的最大直流工作点下（低压满载输入电流的峰同时，在最恶劣条件的最大直流工作点下（低压满载输入电流的峰 值）值） ，也都不应低于初始磁导率的也都不应低于初始磁导率的 30。% dc 对于对于 INV 电感，电感的取值通常看控制器能否可靠限流来决定。电感，电感的取值通常看控制器能否可靠限流来决定。 由于 INV 电感需承受 RCD 等非线性冲击负载，所以 UPS 通常有 波峰因数比大于 3：1 的要求，考虑实际逆变限流会稍大于 3:1，通 常取到 4：1，所以，INV 电感的最大直流工作点可以设为 4:1（4 倍 于额定负载下的电感电流有效值） 。当然，若波峰因数规格要求改变， 需要做相应调整。 最大直流工作点下，最大直流工作点下，不应低于初始磁导率的不应低于初始磁导率的 30，否则很可能，否则很可能% dc 造成限流不可靠而损坏造成限流不可靠而损坏 INV 开关管。开关管。 Ipeak_avg 图 6.4 PFC&BOOST 电感的电流波形图 感值确定后，选择恰当的磁芯，查规格可得其 AL值，用以下公式就 可算出匝数。 L A L N 5.2 原则二：电感损耗导致的温升在允许的范围内（考虑使用寿命） 电感主要由磁芯、线圈组成，所以其温度要求也由这两方面的限制 构成。 磁芯（磁芯（Core）：）： 储能电感的磁芯有铁粉芯、铁硅铝粉芯、铁氧体等构成，目前使用 最多的是铁粉芯。铁粉芯存在高温老化导致失效的问题，其失效机 理可解释如下：铁粉芯是由铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成，铁粉芯是由铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成， 绝缘介质通常是高分子聚合物树脂类构成，其在高温下绝缘性能绝缘介质通常是高分子聚合物树脂类构成，其在高温下绝缘性能 会慢慢劣化，铁磁材料间的电阻会越来越小，从而磁芯的涡流损耗会慢慢劣化，铁磁材料间的电阻会越来越小，从而磁芯的涡流损耗 越来越大，大的损耗导致更高的温升，这样便形成了正反馈，这称越来越大，大的损耗导致更高的温升，这样便形成了正反馈，这称 为热跑脱效应（为热跑脱效应（Thermal Run away） 。铁粉芯磁芯的寿命便是由热跑。铁粉芯磁芯的寿命便是由热跑 脱效应决定的，其与温度、工作频率和磁通密度都有关系。脱效应决定的，其与温度、工作频率和磁通密度都有关系。目前公 司使用较多的 MicroMetals 公司的铁粉芯存在上述问题。但也需提醒 的是，如绝缘介质无高温劣化问题，磁芯便不会有热跑脱效应，这 与各公司的使用的材料和工艺有关，并不绝对。 磁芯的温升与磁芯损耗直接相关，如前所述，磁芯损耗主要由磁滞 损耗和涡流损耗构成，对于粉芯类磁芯，由于磁材料间绝缘阻抗很 大，涡流损耗几乎可以忽略不计（但热跑脱效应是由于涡流损耗越 来越大引起） 。磁滞损耗只与频率和交流磁通密度（磁滞回线面B 积）有关，与其直流工作点磁通密度关系不大，以下公式是 dc B MicroMetals 公司铁粉芯磁芯损耗计算的经验公式： 22 65 . 1 3 . 23 3 _ )/(Bdf B c B b B a f cmmWP losscore 其中为开关工作频率，B（单位 Gauss）为一个开关周期内交流磁f 通密度的峰值，其为个开关周期内交流磁通密度峰峰值的一半（ ） 。为常数，与材质有关，常用材质常数见下表。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 对于 BUCK 和 DC-DC 电感，稳态工作时，脉宽也基本稳定，所以 B 值很容易确定。但对于但对于 PFC、BOOST 和和 INV 电感，其脉宽一直电感，其脉宽一直 是变动的，是变动的，B 值也一直是变动的，所以在一个工频周期内的瞬时损耗值也一直是变动的，所以在一个工频周期内的瞬时损耗 也是不定的，这时的损耗应以一个工频周期的平均值也是不定的，这时的损耗应以一个工频周期的平均值来衡来衡 avglosscore P _ 量量。 我们知道最大电流纹波发生在输入（或输出）是输出（或输入）电 压一半的时候得到，其实此时也是瞬时交流磁通密度达到最大的时 候，称之为，所以此时的瞬时损耗也达到最大。经过理论计算 peak B 与实践检验，发现最恶劣条件下与有如下关系： peaklosscore P _avglosscore P _ BOOSTBOOST 拓扑：拓扑：0.70.7 avglosscore P _peaklosscore P _ INVINV 部分：部分：KK avglosscore P _peaklosscore P _ 其中 K 与电路拓扑以及输出电压调制比（）有关。下 BUS ppo V V 2 _ 图是半桥和全桥逆变拓扑的电压调整率与 K 的关系。 公司目前 BUS 电压介于 340V400V 间，所以电压调整率介于 0.70.9 间，由图可看出 K 介于 0.350.6 范围。 线圈（线圈（Coil）：）： 图 6.4 平均功率与峰值功率比和电压调整率关系图 线圈的损耗是电流在导线电阻上产生的。电感中导线的电流通常包 含工频或直流成分的低频电流和开关频率的高频电流。 其电流有效值为 HFrmsLFrmsrms III _ 为简化计算，当最大纹波电流小于为简化计算，当最大纹波电流小于 20时，可基本忽略其影响，时，可基本忽略其影响， ，当最大纹波电流大于，当最大纹波电流大于 20时，需计算此电流的有效值时，需计算此电流的有效值 LFrmsrms II _ 。同时，当最大纹波电流大于。同时，当最大纹波电流大于 20时，需考虑时，需考虑 HFrmsLFrmsrms III _ 导线的趋肤效应的影响，否则，可以忽略。导线的趋肤效应的影响，否则，可以忽略。 导线的损耗与电流密度有直接的关系，通常电流密度都会在感J 值与绕线系数间折中。 在自然冷却条件下：在自然冷却条件下： 通常取（通常取（23 A/mm2）J 在风冷条件下：在风冷条件下： 通常取（通常取（49 A/mm2）J 磁损与铜损的比例：磁损与铜损的比例： 磁芯的材料（除硅钢片较好外）通常是热的不良导体，热阻较高， 而铜线是热的良导体，热阻很小。再加上通常用的环形磁芯都是线 圈包住铁芯（内铁式） 。因此线圈上的热量可以较磁芯上的热量更好 地散发出去。为保证铁芯温度可以受控制， 最低要求最低要求 较佳的设计