隨著新能源汽車向高壓化，電池的大容量化發(fā)展，廣泛應(yīng)用了升壓電感。在升壓電感磁芯氣隙設(shè)計(jì)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到大氣隙分段設(shè)置的問(wèn)題。氣隙設(shè)置不合理會(huì)導(dǎo)致線圈交流損耗變大，引起局部過(guò)熱，影響升壓電感使用壽命和整機(jī)效率。

單個(gè)氣隙開(kāi)多大，氣隙如何分段，氣隙位置放在哪里效果最佳，這些問(wèn)題一直困擾升壓電感開(kāi)發(fā)工程師。針對(duì)此問(wèn)題，我們采用AnsysMaxwell仿真軟件對(duì)升壓電感實(shí)際應(yīng)用的大功率電感進(jìn)行了多方面的分析計(jì)算，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了研究總結(jié)，結(jié)合仿真軟件應(yīng)注意哪些要點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)優(yōu)化?，F(xiàn)整理成報(bào)告分享給大家。

以下PFC的工作原理圖。其中升壓電感L就是本文的研究對(duì)象。

其工作原理主要是基于電磁感應(yīng)和電感儲(chǔ)能特性。開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電感儲(chǔ)能，電流漸升；開(kāi)關(guān)關(guān)斷，電感產(chǎn)生反向高感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，與電源電壓疊加，實(shí)現(xiàn)升壓，再經(jīng)電容濾波儲(chǔ)能，為負(fù)載提供穩(wěn)定的高于電源的輸出電壓，從而完成升壓過(guò)程。升壓電感在純電動(dòng)車和混合動(dòng)力車種都發(fā)揮著重要作用，是新能源汽車中不可或缺的組件。

本文已在中國(guó)第11屆功率變換器磁性元器件聯(lián)合學(xué)術(shù)年會(huì)中發(fā)表。旨在探討電動(dòng)汽車用升壓電感的磁芯氣隙設(shè)計(jì)及其仿真優(yōu)化，分析氣隙大小、分布對(duì)電感性能的影響，并提出合理的設(shè)計(jì)建議，以期為電動(dòng)汽車電感器的設(shè)計(jì)工程師提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

01 GAP（磁芯氣隙）與d（線圈到磁芯間距）關(guān)系

在電感器設(shè)計(jì)中，GAP（氣隙）和d（線圈到磁芯間距）是兩個(gè)重要的參數(shù)，它們之間的關(guān)系可以從磁場(chǎng)和電感量的計(jì)算角度來(lái)理解。

氣隙（GAP）是磁芯中主要用于調(diào)節(jié)磁芯的磁導(dǎo)率和飽和特性。氣隙的大小會(huì)影響磁芯的ACR和感量。氣隙越大，ACR越大，感量越小。

線圈到磁芯的間距d 主要影響磁力線切割線圈面積的大小，被切割的面積越大，線圈通過(guò)的電流就越小，線圈的溫升就越高，直至燒機(jī)、炸機(jī)。

氣隙（GAP）主要是為了增加磁芯內(nèi)部的磁阻，使電感量減小，但較大的氣隙（GAP）會(huì)讓磁力線對(duì)線圈的切割變得嚴(yán)重，渦流損耗增大；而較大的線圈到磁芯間距d則會(huì)減弱磁力線對(duì)線圈的切割影響，降低渦流損耗。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要在氣隙和線圈到磁芯間距之間找到平衡。氣隙（GAP）過(guò)大會(huì)導(dǎo)致線圈渦流損耗增加，影響升壓電感的傳遞效率；線圈到磁芯間距d過(guò)大則會(huì)增大體積，增加成本，d過(guò)小則線圈會(huì)被磁力線切割到。

下面是相同的線圈到磁芯的間距d=1.8mm,研究GAP的大小仿真結(jié)果案例：

氣隙大小仿真結(jié)果

不同氣隙值對(duì)線圈性能的影響

為了更深入地了解氣隙對(duì)線圈性能的影響，通過(guò)進(jìn)一步地分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣隙等于d的三分之一時(shí)較為理想，此時(shí)氣隙位置的線圈內(nèi)壁磁通密度漏磁處最低，可降至0.02T。

02 升壓電感磁芯氣隙如何分段

磁芯氣隙分段通過(guò)將單一氣隙分割為多個(gè)小氣隙，旨在降低漏磁、減少渦流效應(yīng)、提高熱穩(wěn)定性、精確控制電感量、降低損耗，并滿足小型化和高性能需求。

氣隙分段原則為一是單個(gè)GAP大小不宜超過(guò)線圈到磁芯間距d的1/2（一般取單個(gè)GAP≈d/3）；二是氣隙在線圈內(nèi)部均勻分布，即氣隙大小一致，間隔一致。

升壓電感氣隙如何分段？

本文分享200A 升壓電感為例，分析不同的氣隙方案對(duì)電感線圈損耗的影響：

可立克的實(shí)際應(yīng)用案例：電流為200A，電感為120μH，紋波峰峰值為80A。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，選用了NPV材料作為鐵芯，并通過(guò)計(jì)算確定最終匝數(shù)為37匝。

在設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)研究了氣隙的布置對(duì)損耗的影響。具體而言，分別對(duì)一個(gè)氣隙、兩個(gè)氣隙、三個(gè)氣隙、四個(gè)氣隙和五個(gè)氣隙的情況進(jìn)行了分析，主要關(guān)注磁芯損耗、線圈損耗以及ACR（交流電阻）。

通過(guò)多次仿真發(fā)現(xiàn)，隨著氣隙數(shù)量的增加，損耗逐漸降低。當(dāng)氣隙數(shù)量達(dá)到五個(gè)時(shí)，系統(tǒng)的損耗達(dá)到最低值。這一結(jié)果為升壓電感的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了重要依據(jù)。

隨后，可立克團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了更為深入的氣隙分段研究。當(dāng)分別將氣隙設(shè)置為 6 個(gè)氣隙、8 個(gè)氣隙、10 個(gè)氣隙時(shí)，交流損耗并未出現(xiàn)顯著降低。由此可以得出結(jié)論：就生產(chǎn)需求及成本控制而言，設(shè)置 5 個(gè)氣隙即可滿足要求。

值得一提的是，對(duì)于變壓器和電感設(shè)計(jì)而言，ACR是一個(gè)非常重要的參數(shù)，ACR 是指電感器在交流電路中表現(xiàn)出的電阻特性。理論上電感的損耗不僅直流電阻DCR帶來(lái)的直流損耗，重點(diǎn)還有ACR交流阻抗的損耗，包含導(dǎo)致磁芯產(chǎn)生渦流損耗、因趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)等產(chǎn)生的損耗，這些共同構(gòu)成了交流電抗ACR的損耗。

03 如何設(shè)置最佳氣隙位置

如前文所述，5個(gè)氣隙是較為理想的配置，但5個(gè)氣隙在哪個(gè)位置，需要進(jìn)一步地研究。

第一個(gè)圖是把磁芯做成U形的，第二個(gè)圖在U型磁芯的基礎(chǔ)上加了5毫米的轉(zhuǎn)折；第三、第四、第五個(gè)磁芯分別在增加了10毫米、15毫米、20毫米的轉(zhuǎn)折。

氣隙最佳位置實(shí)驗(yàn)過(guò)程

經(jīng)反復(fù)探究，發(fā)現(xiàn)U型轉(zhuǎn)折尺寸為24毫米時(shí)損耗達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。基于此，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)，梳理出氣隙分段的段數(shù)、最優(yōu)氣隙大小與 ACR 值之間的關(guān)系。

氣隙與U型轉(zhuǎn)折尺寸的關(guān)系

氣隙位置對(duì)于線圈損耗影響很大。

氣隙位置設(shè)置合理分布均勻，不合理的氣隙位置，或者分布不均勻都將導(dǎo)致線圈損耗變大 。以下是氣隙大小和氣隙數(shù)量一樣，但氣隙位置各有不同所對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果。

氣隙不同位置仿真結(jié)果

研究結(jié)果表明，向內(nèi)伸進(jìn) 24毫米時(shí)，且擺放位置均勻，見(jiàn)下圖，效果最佳。同時(shí)，擺放方式對(duì)結(jié)果影響顯著，如圖所示，氣隙位置等于24毫米時(shí)，也就是GAP等于0.5mm*5個(gè)，ACR最小。

最佳氣隙位置

理想的氣隙位置是以各氣隙中心為分段線，每一段的磁阻與線圈安匝數(shù)成比例關(guān)系，而磁環(huán)電感最容易滿足這種理想的比例關(guān)系。

均勻段相關(guān)計(jì)算

等效磁路長(zhǎng)度計(jì)算：均勻段等效磁路長(zhǎng)度Le = 10.625 + 0.5 * 33.5 = 27.375mm ，其中33.5為帶電流疊加后的磁芯磁導(dǎo)率。

匝數(shù)及對(duì)應(yīng)比值：對(duì)應(yīng)線圈包圍磁芯的匝數(shù)是 5 匝，等效磁路長(zhǎng)度與匝數(shù)的比值為27.375/5 = 5.475 。

串聯(lián)段相關(guān)計(jì)算

等效磁路長(zhǎng)度計(jì)算：串聯(lián)段等效磁路長(zhǎng)度Le = 90 + 0.5 * 33.5 = 106.75mm ，磁導(dǎo)率同樣為 33.5。因?yàn)榇硕未怕仿┐泡^大，磁阻會(huì)變小，Le按106.75 * 0.9系數(shù)計(jì)算約為 96 。

匝數(shù)及對(duì)應(yīng)比值：對(duì)應(yīng)線圈包圍磁芯的匝數(shù)是8.5 * 2 = 17匝，等效磁路長(zhǎng)度與匝數(shù)的比值為96/17 = 5.647 。

均勻段與串聯(lián)段基本滿足等比關(guān)系，這對(duì)于確定最佳氣隙位置具有重要參考意義。

04鋁殼對(duì)電感和損耗的影響

在對(duì)線圈進(jìn)行灌膠并加裝外殼之后，通過(guò)仿真分析，我們觀察到線圈的損耗有所下降，然而，外殼本身產(chǎn)生了3.5瓦的額外損耗。

也就是說(shuō)產(chǎn)品帶鋁殼（灌封用）后，會(huì)產(chǎn)生渦流屏蔽漏磁場(chǎng)，導(dǎo)致漏磁磁阻增大，電感會(huì)下降，同時(shí)鋁殼會(huì)產(chǎn)生渦流損耗，由于漏磁一般含量較少，所以總體影響不大。

合理的氣息設(shè)計(jì)需滿足以下條件：

1、單個(gè)氣隙（GAP）應(yīng)小于線圈到磁芯的距離（d）的一半，一般取GAP約為d的三分之一。

2、多段氣隙應(yīng)在線圈內(nèi)部均勻布置，分段越多，線圈損耗越小。（當(dāng)GAP小于d的一半時(shí)，繼續(xù)多分段減小氣隙對(duì)于改善線圈損耗效果不明顯）

3、確定理想的氣隙位置：以各氣隙中心為分段線，每一段的磁阻與線圈安匝數(shù)成等比例關(guān)系。

4、電感帶鋁殼（灌封）時(shí)電感會(huì)下降，同時(shí)鋁殼會(huì)產(chǎn)生渦流損耗，但總體影響不大。

以上結(jié)論只針對(duì)金屬粉心（磁導(dǎo)率120以下的磁芯）類電感，其他電感可做參考。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)仿真研究，我們對(duì)電動(dòng)汽車用升壓電感的磁芯氣隙設(shè)計(jì)有了更深入的理解。合理的氣隙設(shè)計(jì)不僅能優(yōu)化電感性能，降低損耗，還能提高電動(dòng)汽車的整體能效。未來(lái)的研究可以進(jìn)一步探索不同材料和結(jié)構(gòu)對(duì)電感性能的影響，以及如何結(jié)合實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行更精細(xì)化的設(shè)計(jì)。

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審核編輯 黃宇