磁性元件的設(shè)計(jì)是開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，究其原因是磁性元件屬非標(biāo)準(zhǔn)件，其設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的設(shè)計(jì)參數(shù)眾多，工藝問(wèn)題也較為突出，分布參數(shù)復(fù)雜。為幫助硬件工程師盡快了解磁性元件，優(yōu)化設(shè)計(jì)并減少設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤，特制定此規(guī)范。 ?

1??電磁學(xué)基本概念及公式

1.1?? 基本概念

1）磁通：穿過(guò)磁路的磁力線(xiàn)的總數(shù)，以Ф表示，單位韋伯（Wb）。 2）磁通密度（磁感應(yīng)強(qiáng)度）：垂直于磁力線(xiàn)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=104Gauss。 3）磁場(chǎng)強(qiáng)度：?jiǎn)挝淮艠O在磁場(chǎng)中的磁力，以H表示，單位安[培]每米（A/m）或奧斯特（Oe），1 Oe=103/4π A/m。 4）磁導(dǎo)率：磁通密度與磁場(chǎng)強(qiáng)度之比，以μ表示，實(shí)際使用中通常指相對(duì)于真空的磁導(dǎo)率，真空中的磁導(dǎo)率μ0 =4π×10-7 H/m。 5）磁體：磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于μ0的物質(zhì)，如鐵，鎳，鈷及其合金或氧化物等。 6）居里溫度點(diǎn)：磁體在溫度升高時(shí)，其磁導(dǎo)率下降，當(dāng)溫度高到某一點(diǎn)時(shí)，磁性基本消失，此溫度稱(chēng)為居里溫度點(diǎn)。 7）磁勢(shì)：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(chēng)為自感，以L(fǎng)表示。 9）互感：由于A(yíng)線(xiàn)圈電流變化而引起B(yǎng)線(xiàn)圈磁通變化的現(xiàn)象，B線(xiàn)圈的磁通變化率與A線(xiàn)圈的電流變化率之比稱(chēng)為A線(xiàn)圈對(duì)B線(xiàn)圈的互感，以M表示。 ?

1.2 基本公式

法拉第電磁感應(yīng)定律：

穿過(guò)閉合回路的磁通發(fā)生變化，回路中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。如果回路不閉合，無(wú)感應(yīng)電流，但感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)依然存在，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小：

磁場(chǎng)中的磁體存儲(chǔ)的能量為：

電學(xué)與磁學(xué)的對(duì)偶關(guān)系表：

2? 磁元件的基本特性

2.1 ?磁滯效應(yīng)（Hysteresis Effect）：

磁化過(guò)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(chēng)為磁滯。

2.2 ?霍爾效應(yīng)（Hall Effect）：

流過(guò)電流的導(dǎo)體穿過(guò)磁場(chǎng)時(shí)，在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)的現(xiàn)象，稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。

2.3? 臨近效應(yīng)（Proximity Effect）

流過(guò)電流的導(dǎo)線(xiàn)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，相鄰的導(dǎo)線(xiàn)在相互的磁場(chǎng)（也可以是外加磁場(chǎng)）作用下會(huì)產(chǎn)生電流擠到導(dǎo)體一邊的現(xiàn)象成為臨近效應(yīng)。相鄰層的導(dǎo)線(xiàn)若電流方向相同，電流會(huì)往外側(cè)擠，相鄰層的導(dǎo)線(xiàn)若電流方向相反，電流會(huì)往外內(nèi)側(cè)擠，如下圖所示。臨近效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體的利用率下降，銅損增加（與趨膚效應(yīng)類(lèi)似）。

2.4? 磁材料的飽和

隨著磁性材料中的磁場(chǎng)強(qiáng)度增加，其磁通密度也增大，但當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度大到一定程度時(shí)，其磁通不再增加(見(jiàn)圖3.1磁滯回線(xiàn)的Bs)，這稱(chēng)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(nèi)的磁滯損耗正比與磁場(chǎng)交變的頻率f 和磁滯回線(xiàn)的面積。

渦流損耗是指當(dāng)通過(guò)磁芯的磁通交變時(shí)，會(huì)在磁芯中感應(yīng)電勢(shì)，該電勢(shì)進(jìn)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(guān)，與頻率f 也有關(guān)。

3??電感磁芯的分類(lèi)及特點(diǎn)?

3.1?? 磁芯材料的分類(lèi)及其特點(diǎn)

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(lèi)，其中Mn-Zn 最為常用。

優(yōu)點(diǎn)：成型容易，成本低，電阻率高，高頻損耗較小。

缺點(diǎn)：飽和磁通較低（4000~5000高斯） ，居里溫度點(diǎn)較低。

多適于10K－500KHz頻率，較低功率的應(yīng)用。常用作高頻變壓器，小功率的儲(chǔ)能電感等。高磁導(dǎo)率的鐵氧體也常用作EMI共模電感。常用的材質(zhì)有TDK公司的PC40，TOKIN公司的BH2，Siemens公司的N67，Philips公司的3C90等。

3.1.2?硅鋼片（Silicon Steel）

在純鐵中加入少量的硅（一般在4.5%以下）形成的鐵硅系合金

優(yōu)點(diǎn)：易于生產(chǎn)，成本低，飽和磁通較高（約12000高斯）。

缺點(diǎn)：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(zhì)有新日鐵公司的取向硅鋼Z11（35Z155）。

3.1.3?鐵鎳合金（又稱(chēng)坡莫合金或MPP）

坡莫合金常指鐵鎳系合金，鎳含量在30~90%范圍內(nèi)。

優(yōu)點(diǎn)：磁導(dǎo)率很高，損耗很低，高頻性能好

缺點(diǎn)：成本高

由于成本過(guò)高，目前很少使用。

3.1.4?鐵粉芯（Iron Powder）

鐵粉芯是由鐵磁性粉粒與絕緣介質(zhì)混合壓制而成的一種軟磁材料，存在分散氣隙（效果類(lèi)似與鐵磁材料開(kāi)氣隙）。常用鐵粉芯是由碳基鐵磁粉及樹(shù)脂碳基鐵磁粉構(gòu)成。

優(yōu)點(diǎn)：磁導(dǎo)率隨頻率的變化較為穩(wěn)定，隨直流電流的變化也相對(duì)穩(wěn)定，成本較低。

缺點(diǎn)：磁導(dǎo)率低，高頻下?lián)p耗高，有高溫老化問(wèn)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(chǔ)能電感，如PFC電感，INV電感，BUCK電路的儲(chǔ)能電感。常用材質(zhì)為MircoMetals公司的-8、-26、-34、-35系列。

3.1.5?鐵硅鋁粉芯（又稱(chēng)Sendust或Kool Mu）

構(gòu)成：由約9%Al,5%Si, 85%Fe 粉構(gòu)成。

優(yōu)點(diǎn)：損耗較低，性?xún)r(jià)比較優(yōu)。

缺點(diǎn)：價(jià)格比鐵粉芯略高。

其直流電流疊加性能較好，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(zhì)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(lèi)：

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、TOROID

3.3? 電感的結(jié)構(gòu)組成

3.3.1? 環(huán)型電感

注：磁芯表面必須有覆蓋層（Coating）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(lèi)型：

EMI共模電感

儲(chǔ)能電感

3.5?? 電感磁芯主要參數(shù)說(shuō)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(xiàn)橫截面積

繞線(xiàn)系數(shù) Kw ：實(shí)際有效繞線(xiàn)橫截面積與可利用的繞線(xiàn)橫截面積之比

等效磁路長(zhǎng)度：磁芯的等效磁路徑長(zhǎng)度

電感系數(shù)AL ：，這個(gè)系數(shù)表現(xiàn)的是同一個(gè)鐵芯的感值與圈數(shù)的關(guān)系，可見(jiàn)對(duì)于確定

的鐵芯，感值與圈數(shù)的平方成正比。

磁芯損耗（鐵損）Pcoreloss：

線(xiàn)圈損耗（銅損）Pcoilloss：

4? ?電感在UPS中的應(yīng)用

在線(xiàn)式大機(jī)常用整機(jī)拓?fù)洹狟OOST+3LEVELBRIDGE

在線(xiàn)式小機(jī)常用PFC拓?fù)洹猇ienna BOOST

在線(xiàn)式小機(jī)常用DC-DC拓?fù)洹狿USH-PULL

在線(xiàn)式大機(jī)常用CHGR拓?fù)洹狟UCK

以上四個(gè)主要拓?fù)渌玫碾姼芯鶠閮?chǔ)能或?yàn)V波電感，其中電流是直流或低頻電流（50Hz）與高頻電流（開(kāi)關(guān)頻率）的疊加。

常用三相輸入EMI濾波器電路

EMI共模電感為一種特殊結(jié)構(gòu)的電感，其一般串在市電輸入或UPS輸出端，輸入零火線(xiàn)同時(shí)繞入并且圈數(shù)相等。當(dāng)流經(jīng)電感的零火線(xiàn)的電流之和為零時(shí)（差模電流），電感由于磁通抵消的原因不表現(xiàn)出感性（此時(shí)與導(dǎo)線(xiàn)無(wú)異），當(dāng)流經(jīng)電感的零火線(xiàn)的電流不為零時(shí)（共模電流），電感表現(xiàn)出感性以抑制共模干擾信號(hào)。

5??電感設(shè)計(jì)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(xiàn)圖可以看出，H加大時(shí)，B值也同時(shí)增加，但H加大到一定程度后，B值的增加就變得越來(lái)越緩慢，直至B值不再變化(u值越來(lái)越小，直至為零)，這時(shí)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(yīng)用除外），其工作曲線(xiàn)應(yīng)在飽和曲線(xiàn)以?xún)?nèi)，Hdc稱(chēng)為直流磁場(chǎng)強(qiáng)度或直流工作點(diǎn)。

磁芯在直流工作點(diǎn)下的磁滯回線(xiàn)

對(duì)于儲(chǔ)能濾波電感，由于需要承受一定的直流電流（低頻電流相對(duì)與高頻開(kāi)關(guān)電流也可視為直流），也就是存在直流工作點(diǎn)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(lèi)電感通常選用鐵粉芯做磁芯（有分散氣隙）。

磁芯加氣隙對(duì)磁滯回線(xiàn)的影響圖

鐵粉芯的磁導(dǎo)率與直流磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系圖

由于磁芯加了分布?xì)庀?，其飽和過(guò)程就不是一個(gè)突變而是一個(gè)漸變的過(guò)程，所以電感的不飽和問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為電感感值在直流量下的合理下降問(wèn)題。

對(duì)于PFC、BOOST、BUCK以及DC-DC電感，電感的取值通常由設(shè)計(jì)要求最大紋波電流（Ripple Current）來(lái)決定（通常設(shè)計(jì)指標(biāo)是最大紋波電流百分比）。

其中，對(duì)于BUCK和DC-DC電感，其直流工作點(diǎn)（IAVG）相對(duì)恒定，如圖

可從磁芯廠(chǎng)商提供的圖表或計(jì)算公式得到。通常，無(wú)論如何設(shè)計(jì)，在最大直流工作點(diǎn)處，都不應(yīng)低于初始磁導(dǎo)率的30％，否則將導(dǎo)致感值擺動(dòng)太大而對(duì)控制器產(chǎn)生不利影響。

對(duì)于PFC、BOOST電感，其直流工作點(diǎn)是50Hz/60Hz的工頻信號(hào)，并不固定，如下圖。

此時(shí)，最大紋波電流百分比定義為最大紋波電流與額定輸入電壓下的電感電流峰值之比。

注意，此處的直流工作點(diǎn)是輸入瞬時(shí)電壓為BUS電壓一半時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入瞬時(shí)電流。

同時(shí)，在最?lèi)毫訔l件的最大直流工作點(diǎn)下（低壓滿(mǎn)載輸入電流的峰值），也都不應(yīng)低于初始磁導(dǎo)率的30％。

對(duì)于INV電感，電感的取值通?？纯刂破髂芊窨煽肯蘖鱽?lái)決定。

由于INV電感需承受RCD等非線(xiàn)性沖擊負(fù)載，所以UPS通常有波峰因數(shù)比大于3：1的要求，考慮實(shí)際逆變限流會(huì)稍大于3:1，通常取到4：1，所以，INV電感的最大直流工作點(diǎn)可以設(shè)為4:1（4倍于額定負(fù)載下的電感電流有效值）。當(dāng)然，若波峰因數(shù)規(guī)格要求改變，需要做相應(yīng)調(diào)整。

最大直流工作點(diǎn)下，不應(yīng)低于初始磁導(dǎo)率的30％，否則很可能造成限流不可靠而損壞INV開(kāi)關(guān)管。

感值確定后，選擇恰當(dāng)?shù)拇判?，查?guī)格可得其AL值，用以下公式就可算出匝數(shù)。

5.1 ? 原則二：電感損耗導(dǎo)致的溫升在允許的范圍內(nèi)（考慮使用壽命）

電感主要由磁芯、線(xiàn)圈組成，所以其溫度要求也由這兩方面的限制構(gòu)成。

磁芯（Core）：

儲(chǔ)能電感的磁芯有鐵粉芯、鐵硅鋁粉芯、鐵氧體等構(gòu)成，目前使用最多的是鐵粉芯。鐵粉芯存在高溫老化導(dǎo)致失效的問(wèn)題，其失效機(jī)理可解釋如下：鐵粉芯是由鐵磁性粉粒與絕緣介質(zhì)混合壓制而成，絕緣介質(zhì)通常是高分子聚合物－樹(shù)脂類(lèi)構(gòu)成，其在高溫下絕緣性能會(huì)慢慢劣化，鐵磁材料間的電阻會(huì)越來(lái)越小，從而磁芯的渦流損耗越來(lái)越大，大的損耗導(dǎo)致更高的溫升，這樣便形成了正反饋，這稱(chēng)為熱跑脫效應(yīng)（Thermal Run away）。鐵粉芯磁芯的壽命便是由熱跑脫效應(yīng)決定的，其與溫度、工作頻率和磁通密度都有關(guān)系。目前公司使用較多的MicroMetals公司的鐵粉芯存在上述問(wèn)題。但也需提醒的是，如絕緣介質(zhì)無(wú)高溫劣化問(wèn)題，磁芯便不會(huì)有熱跑脫效應(yīng)，這與各公司的使用的材料和工藝有關(guān)，并不絕對(duì)。

磁芯的溫升與磁芯損耗直接相關(guān)，如前所述，磁芯損耗主要由磁滯損耗和渦流損耗構(gòu)成，對(duì)于粉芯類(lèi)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(jì)（但熱跑脫效應(yīng)是由于渦流損耗越來(lái)越大引起）。磁滯損耗只與頻率和交流磁通密度（磁滯回線(xiàn)面積）有關(guān)，與其直流工作點(diǎn)磁通密度關(guān)系不大，以下公式是MicroMetals公司鐵粉芯磁芯損耗計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式：

其中為開(kāi)關(guān)工作頻率，B（單位Gauss）為一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)交流磁通密度的峰值，其為個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)交流磁通密度峰峰值的一半（）。a、b、c、d為常數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)，常用材質(zhì)常數(shù)見(jiàn)下表。

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對(duì)于BUCK和DC-DC電感，穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，脈寬也基本穩(wěn)定，所以B值很容易確定。但對(duì)于PFC、BOOST和INV電感，其脈寬一直是變動(dòng)的，B值也一直是變動(dòng)的，所以在一個(gè)工頻周期內(nèi)的瞬時(shí)損耗也是不定的，這時(shí)的損耗應(yīng)以一個(gè)工頻周期的平均值來(lái)衡量。

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(shí)候得到，其實(shí)此時(shí)也是瞬時(shí)交流磁通密度達(dá)到最大的時(shí)候，稱(chēng)之為，所以此時(shí)的瞬時(shí)損耗也達(dá)到最大。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算與實(shí)踐檢驗(yàn)，

其中K與電路拓?fù)湟约拜敵鲭妷赫{(diào)制比有關(guān)。

下圖是半橋和全橋逆變拓?fù)涞碾妷赫{(diào)整率與K的關(guān)系。

平均功率與峰值功率比和電壓調(diào)整率關(guān)系圖

目前BUS電壓介于340V~400V間，所以電壓調(diào)整率介于0.7~0.9間，由圖可看出K介于0.35~0.6范圍。

線(xiàn)圈（Coil）：

線(xiàn)圈的損耗是電流在導(dǎo)線(xiàn)電阻上產(chǎn)生的。電感中導(dǎo)線(xiàn)的電流通常包含工頻或直流成分的低頻電流和開(kāi)關(guān)頻率的高頻電流。

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(dǎo)體，熱阻較高，而銅線(xiàn)是熱的良導(dǎo)體，熱阻很小。再加上通常用的環(huán)形磁芯都是線(xiàn)圈包住鐵芯（內(nèi)鐵式）。因此線(xiàn)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，

5.3 ?原則三：電感的工藝要求可以達(dá)成

電感理論設(shè)計(jì)完成后，就需要考慮工程實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題了。

需考慮的工藝問(wèn)題有：

1、電感線(xiàn)圈是否可繞得下

這個(gè)問(wèn)題也是就電感銅窗利用率（有效繞線(xiàn)系數(shù)）的問(wèn)題。

其中是有效導(dǎo)體面積，是磁芯的銅窗面積

對(duì)于大多數(shù)磁芯，繞線(xiàn)系數(shù)要求

2、線(xiàn)圈的繞法

電感線(xiàn)圈的繞法主要有循環(huán)式、往復(fù)式、漸進(jìn)式三種。

循環(huán)式繞法是導(dǎo)線(xiàn)一直沿同一個(gè)方向繞制，多層導(dǎo)線(xiàn)之間相互疊壓。

優(yōu)點(diǎn)：可機(jī)器自動(dòng)繞制，繞線(xiàn)系數(shù)高。

缺點(diǎn)：繞線(xiàn)起始端與結(jié)束端幾乎沒(méi)有間距，層間壓差大，高壓應(yīng)用時(shí)易導(dǎo)致因壓差過(guò)高而導(dǎo)線(xiàn)絕緣失效。

往復(fù)式繞法是導(dǎo)線(xiàn)繞完一層后反方向再繞下一層后，多層導(dǎo)線(xiàn)之間相互疊壓。起始端與結(jié)束端有間距分開(kāi)。

優(yōu)點(diǎn)：可機(jī)器自動(dòng)繞制；起始端與結(jié)束端有間距分開(kāi)，可部分解決壓差大導(dǎo)致的導(dǎo)線(xiàn)絕緣失效問(wèn)題。

缺點(diǎn)：繞線(xiàn)起始端與結(jié)束端有間距分開(kāi)，繞線(xiàn)系數(shù)不高。

漸進(jìn)式繞法是導(dǎo)線(xiàn)由起始端沿一個(gè)方向繞到結(jié)束端，導(dǎo)線(xiàn)不分層。

優(yōu)點(diǎn)：導(dǎo)線(xiàn)間壓差小，繞線(xiàn)起始端與結(jié)束端有間距分開(kāi)，適合高壓應(yīng)用。

缺點(diǎn)：需手工繞制，效率低，成本高；繞線(xiàn)零亂，繞線(xiàn)系數(shù)低。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需根據(jù)電感工作的電壓來(lái)決定選用何種繞法，但由于漸進(jìn)式繞法的效率低、成本高，非不得已不要選用。

3、誤差的確定

由于磁芯材料的磁參數(shù)均有較大的分布誤差，批次不同或廠(chǎng)商不同則差異可能更大，通常為±15％～25％，所以設(shè)計(jì)時(shí)需考慮在參數(shù)偏差時(shí)所造成的影響。

6? ? 電感設(shè)計(jì)規(guī)范表

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編輯：黃飛

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