电感的设计过程

摘要：介绍了电感的设计过程和方法，并列举了一个大功率电感的设汁方法，通过理论和实 际 的结合完成了设计。关键词：电感：设计：方式0引言磁性元件与其它电气元件不同，使用者很难采购到符合自己要求的电感。相反，具体设计一 个磁性元件可以综合考虑成本、体积、重量和制造的困难程度，可以获得一个较满意的结果。设 计一个电感首先要选择磁芯材料和形状，然后确左磁芯体积大小，然后再计算线圈 的匝数和线 圈截而积，接着再估算气隙长度，最后根据实际情况调整设讣。1磁性材料的选择任选用磁性材料时，考虑的因素是工作开关频率、磁通密度、磁导率、损耗大小、工作环境 及材料的价格。如果开关频率较低，可以考虑选择硅钢带和铁银合金。硅钢带具有高的 饱和磁 通密度，而且价格低廉，是低频场合运用最为广泛的磁性材料，它的磁芯损耗取决于 带的厚度 和硅的含量，硅含量越高，电阻率越大，则损耗越小；铁镰合金具有极高的磁导率，极低的娇顽 磁力，但是其电阻率比较低，只能用在低频场合，同时价格也比较高，通常用在 工作环境温度 高，体积要求严格的军工产品中。如果开关频率较高，可以考虑使用铁氧体和非晶态合金。铁氧 体最高频率可以达到1 MHz而且电阻率高，高频损耗小，但是其饱和 磁感应比较低，而且受温 度影响大，在常温(25C)的0.42T到1OOC时的0.34T。铁氧体目前有多种材料和磁芯规格， 而且价格比其它材料低,是目前开关电源中应用最为广泛的材料。非晶态合金适用于几十到几百 kHz的工作频率，比铁氧体有更高的饱和磁感应和相对较高的损耗和温度稳定性，但是价格比 较昂贵，而且磁芯的规格也不完善，适用于大功率或者耐 受高温和冲击的军用场合。2磁芯形状目前磁芯有罐型、PM、RM、PQ、EE、EC、EP、ETD、RC、UU和 UI各种型号，以 及新发展的平而磁芯，如EFD、EPC、LP型等磁芯。罐型和PQ型磁芯有较小的窗口面积，减小了 EMI传播，用于EMC要求严格的场合。但 是其窗口宽度不是很大，只能用于125 W以下的低功率场合。大功率应用散热困难。因为引 出线缺口小，大电流出线困难，也不适用于高压场合，因为出线的安全绝缘处理困难。EE、EC、ETD、LP磁芯都是E型磁芯，有较大的窗口而积，窗口宽而且高度低，漏磁及线 圈层数少，高频交流电阻小。开放式的窗口没有出线问题，线圈与外界空气接触而大，有利于空 气流通，散热方便，可以处理大功率，但电磁干扰大。EC、ETD磁芯的中柱圆形截而与EE型相同矩形截而积时，圆形截而每匝线罔比矩形短 大 约11%,即电阻少11%,线圈的损耗和温升也相应降低，但是没有EE型磁芯的尺寸齐 全，不能 像EE型磁芯一样合并使用。RM和PM磁芯比罐型有更大的出线窗口和好的散热条件，所以，可以传送更大的功率。RM 磁芯有两种结构，有中心孔和没中心孔。在有些谐振电路中要求准确的调谐，使用带有 中心孔 的磁芯，在中心孔插入磁棒调肖电感量，调节范用可以到达30%。但在功率磁芯中 不采用，因 为磁棒损耗大。PQ型具有最佳的体积与辐射表面和线圈窗口而积比。因磁芯损耗正比于磁芯体积，而散 热 能力正比于辐射表面，该形状磁芯在给左输出功率下而有最小的温升，因此，在给龙输出功率 下体积最小。LP、EFD、EPC型磁芯主要为平而变压器设计的。中柱长，漏感最小。但是，囚为体积小， 磁通密度和磁场变化处处都是重要的区域，汁算相当困难。UU型和UI型主要用在高压和大功率的水平，很少用在I kW以下。他们比EE型有更大 的 窗口，可以用更粗的导线和更多的匝数。但磁路长度大，比EE型有更大的漏感。对于环型磁芯，线圈均匀分布在整个磁芯上，杂散磁通和EMI扩散都很小，但是大功率绕线 困难。3磁芯尺寸任磁芯材料和磁芯形状确左了以后，下一步工作就是估算磁芯尺寸。肖功率比较小时，比 较通用的方法是而积乘积法，它是磁芯截而积和线圈有效窗口而积的乘积。3.1损耗不严重当损耗不严重，经验公式如式(1)所列。A P=A A4 =什e 式中：AW为窗口而积；Ae为磁芯截而积：IF1为满载电流有效值：Ip为最大峰值电流：Bmax为磁芯的饱和磁感应强度。3.2损耗严重损耗严重时，经验公式如式(2)所列。(rni4 式中：ARmax为最大磁通密度摆幅:K1及K2系数的取值如表I所列。表I心及儿和电感类型的关系应用单线圈电感0.030.021多线圈滤波电感0.0270.019Buck/Boost 电感().013(1009反激变换器0.00850.006这种方法计算出来的尺寸不是很准确，但是可以减少迭代的次数。在大功率条件下，上而 公式不建议采用，应根据经验选择磁芯尺寸，然后根据磁芯尺寸算出匝数、气隙等各种参 数， 最后再校验设计的合理性。4线圈匝数的计算由安培环路定律，可得N =HL=H0+HL(3)式中：HB为气隙磁场强度：6为气隙长度：Ho为磁芯磁场强度；Lo为磁芯磁路长度。由于空气的磁导率远低于磁芯的磁导率，所以，式(3)可以近似成为耳)电感公式为联立式(4)、式(5),可以得到 *小mx式(6 )就为线圈匝数估算公式，苴中电流取电感的最(6)大峰值电流Ip。()5代隙估算高磁导率磁芯材料只能储存很少的能量，而电感是一个储能装卷，为了有效地储存能屋 和把能量返回到电路中去，由气隙储能的关系.可得WR r色如晋L二气吃(7) 几“ 孕2可知，在磁芯不饱和的情况下，磁导率不能太高，也不能太小，因此，可以在高磁导率 的 磁芯中串联一个非磁气隙，用来调整有效磁导率。加了非磁气隙之后，由于气隙的磁导率 远远 低于磁芯的磁导率，因此，大部分能量就储存在气隙当中，这样我们就可以根据能量守恒近似 地估算出气隙的大小，具体公式如式(8)所列。%”箸斗倡2(8)把L、Ip、po、Bmax代入式求出V,然后根据磁芯所开气隙的截而积就可以近似地算出气 隙大小。6计算导体尺寸6.1集肤效应导线通过交变电流时会产生集肤效应，即导线横截面的电流分布不均匀，内部电流密度小，表而电流密度大，使导线的有效截而积减少，英有效截面积的减少可以用穿透深度来 表 示，的意义如下，从表而到电流密度下降到表而电流密度的0.368的厚度为穿透深度，即 认为表而下降深度为的厚度导体流过导线的全部电流，而在层以内的导体完全不 流过电 流，与频率和导线物理性能的关系为式中：po为导线材料的磁导率:7=P为材料的电导率:K为材料电导率温度系数:T为导线温度。所以在选择绕组的导线线径时，应使线径小于两倍穿透深度。6.2电流密度任大功率条件下，电流密度的选择一般在2.5 3A/mm2,在自然冷却条件下，一般选取 电流 密度4-6.5A/mm2：在模块电源中，磁器件有良好的散热条件，一般电流密度到达8A/mm2,甚至可以到达10 /mm2u电流密度选择高，导线的截而积小，相同窗口绕更多的导线，且是导线电阻大，铜损也大。当汁算得到的线径大于穿透深度决立的最大线径时，可 以采 用多股导线并绕或者采用铜带，使厚度小于两倍穿透深度。7设计举例本人设计了一个双降压式半桥逆变器的滤波电感，逆变器输出115V/400 Hz和220 V/ 50 Hz 的三相交流电，输出最大功率为50 kVA,电感电流连续，电感大小为180pH每相 两个电感分别 在半个周期里轮流工作，流过电感的满载电流为122 A.最大电流为250 A,最大开关频率25 kHz具体设计过程如下。7.1磁芯材料选择由于功率管的最大开关频率达到25 kHz这个频率对于硅钢带来说太高，不适合选择，而铁 氧体和非晶态合金都比较适合，但考虑到功率太大，磁芯体积会比较大，而且需要的电感个数 为6个，如果选用非晶态合金成本太高，所以最终还是选择铁氧体LP3，其工作频 率在100 kHz 以上，在100C时的饱和磁感应强度为O.38T，价格相对低廉。7.2磁芯形状根据前而介绍的磁芯形状可知，在大功率条件下，E型和UU型、UT型磁芯都比较适合选 择，为了减小漏感，我们选用FEE型铁芯。7.3磁芯尺寸由于电感功率很大，如果根据经验公式，算出的Ap=ll511 cm2，显然不符合实际，所以单个磁芯具不能按照经验公式来指导磁芯尺寸的选择，只能按照设讣经验来选择磁芯尺寸。我们选择了由 新康达磁芯公司生产的EEI85磁芯，如图1所示，把两副拼在一起组成一个磁芯，体尺寸如表2所示。图IEE185外形图表2EE185磁芯尺寸mmABC!)EF1857727.553128507.4匝数计算4 =2xCxP=2x275x53xlO6=2915xlO-3m2 e心“二 180乂10软25073-A;Tf.915xl0-0.38*7.5气隙大小计算由能量守恒，可得Vx0.382=*xl80xg25(F2x4ttx107V=97 9()2nmf,5=I7=a =33-5inm由于两边都开代隙，所以3=l-=16.75 mm7.6确定导体尺寸设铜皮工作时的温度为80C,则K=1+( 7-20)/234.5=1.26;二 2t / 6.28x25000 二 1.57x 1 (Trad/sa=a) =47rxl07；尸 58x100*,人21 2厂1 ?57xlO5x4irxl()： 7x58x 106=4.7x10Amo所以选择铜皮厚度小于两倍穿透深度2x0.47=0.94 mm.选择电流密度3 A/mm2, 122 A满载电流需要导体截面积40.67mm2,选择导体厚度为0.5 mm,宽度取 90mmo7.7验证验证磁芯在电流最大时是否饱和。市 NI=ll一8A4A)- 41 x250x4zrrx 10 * (5 33.5x10-3u-可知：电流达到250A时不饱和。按照上而的设计做出一个电感，得到的感值为366pH,如果要使电感为180|jH,实际气隙 6=48mm,显然不合适，所以要在前面设计的基础上进行调整，鉴于电感值偏大，由式(5)可知， 在气隙和磁芯大小不变时，感值和匝数的平方成正比。所以我们保持理论汁算出的气 隙不变， 减小匝数，就可以减小感值，而且由式(4)，减小匝数磁芯肯左不会饱和，我们测出了匝数为 41匝时电感大小与气隙大小的关系，如表3所列，这样可以算出调整后的匝数，即M 二史 X41=28.7,取 29 匝。表3匝数一定时电感与气隙大小的关系气隙/mm感值钟4.5635.79531.913435.217366.222318.227276.232243.648184调整后（匝数为29匝）实际测量出气隙为17mm,感值为180pHo8结语磁芯元件的设il很复杂，要直接得到唯一的答案是很困难的，因为要涉及到很多因素，设 计时应该根据理论分析和实践来逐步完善设计，最终得到一个符合工作要求的电感。豆丁网（Docln）是全球优秀的C2C文档销售与分享社区。豆丁允许用户上传包括.pdf, .doc, .ppt, .txt在内的数十种格式的文档文件，并 以Flash Player的形式在网页中直接展示给读者。简而言之，豆丁就如同文档版的Y outube,现在每天都 有数以万计的文档会上传到豆丁，正基于此，豆丁将致力构建全 球最大的中文图书馆。豆丁努力使世界上任何人都能够自由地发挥他们的创造力。文档资料只通过少数、单一的 出版物来传播的时代已经结束。现在，互联网给文档资料提供了世界范用 内的传播渠道，豆丁 希望能够给每个独立的文档持有者利用这个新机会的方法。现在，我们为原创人群提供安全、 自由、民主、便利的文档发布与营销平台。借助豆丁，你可以为你的文档左价，并通过豆丁发表 到不同博客、论坛、联盟中，进行广泛传播，在分享的同时获得收入回报。豆丁致力于构建全球领先的文档发布与销售平台，而向世界范围提供便捷、安全、专业、 有效的文档营销服务。包括中国、日本、韩国、北美、欧洲等在内的豆丁全球分站，将而向全球 各地的文档拥有者和代理商提供服务，帮助他们把文档发行到世界的每一个角落。豆丁正在全 球各地建立便捷、安全、高效的支付与兑换渠道，为每一位用户提供优质的文档交易和账务服 务。