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1、.功率电感之大电流电感随着电气技术的发展，对电源在高频率，高效率，环保，尺寸，安全，低温升，低噪音，抗干扰E等方面不断提出新的要求，在结构上提出“轻、薄、短、小”的要求，对关键器件提出了扁平化，轻量化，低功耗和高性能的要求，体现在磁性器件方面，尤其是非隔离DC-DC模块电源中，贴片化和扁平化（低高度）成为一种趋势。CODACA从2001年成立至今，已专注生产电感14年，其产品系列不断推陈出新，顺应时代的发展，无论是技术积累还是品质和性价比，都奠定了CODACA这一电感品牌越来越具有影响力。对于电源工程师以及磁性器件件工程师而言，高频化大功率电路对产品体积要求越来越严苛，功率密度要求越来越大，只
2、有对功率电感有了更系统了解，尤其是大电流电感，才能设计和选型更优化的电感。本文系统的对功率电感的相关知识进行阐述整理，主要包括功率电感的定义、选型因素、常用磁性材料、功率电感的工作点、典型电气参数、非典型参数、扁平线绕组的优势，常用拓扑结构和关于温升、饱和和噪音三个问题的建议。1. 功率电感的定义功率电感(Power Inductor),顾名思义，用在电路中传输功率的电感。电感在电路中主要用来处理功率，信号和电磁兼容（EMC），其中负责功率传输的主要包括升压电感（boost），降压电感（buck），升降压电感（buck-boost），功率因素校正电感（PFC），正激电路输出侧的直流输出滤波电感
3、（相当于buck）和逆变电路输出侧的逆变电感等，这些电感同时承担着储能和平滑滤波的作用；其中用于EMC的电感分为共模电感和差模电感，差模电感在电路中主要滤除差模干扰，无论传输电流是直流电还是交流电，都需要承担滤波和储能的作用，因此在本篇文章中，从能量储存的角度讲，也将差模电感归入功率电感范畴。2. 功率电感的选型因素：1) 电感的电气特性，主要饱和特性，温升特性，频率特性等；2) 电感的机械特性，主要尺寸限制，贴装方式，机械要求等；3) 电感的使用环境，电气条件裕量，环境温湿度，酸碱度等；4) 电感的性价比（品质，品牌，技术支持，服务，付款条件等）；5) 电感的新型研发，深度定制和快捷样品反馈
4、以及批产能力；功率电感的选型因素很多，对于设计人员或者采购人员而言，在满足主要考量因素的情况下，尽可能的平衡其他因素。比如成本为主要考虑因素，磁芯可选用廉价的铁粉心，但产品的尺寸和损耗可能会比较大，或者选用没有品质保证的供应商，但客户服务和技术支持会比较差些等；比如产品的温度特性有严格要求，可能需要成本昂贵的MPP磁芯或者羰基铁粉心等。CODACA从2001年成立至今，已专业生产电感14年，无论是技术积累还是品质和性价比，都奠定了CODACA这一电感品牌越来越具有影响力。3. 功率电感常用磁性材料常用的软磁材料主要分为镍锌（NiZn）铁氧体和锰锌（MnZn）铁氧体，全系列金属磁粉心（High-
5、Flux，MPP，Sendust，Fe-Si，Fe-Si-Cr，Fe-Si-Ni，IRON Powder，Nanodust等），非晶/纳米晶，叵末合金和硅钢等。本文就CODACA普通贴片功率电感、一体成型电感和组装式大电流电感所用材料重点进行介绍。镍锌（NiZn）铁氧体，有着极高的电阻率，等同于绝缘体，其磁导率102000，饱和磁通密度0.25T0.44T,应用频率0.1100MHz，低磁导率可达GHz，主要用来做磁棒，螺纹磁心，环形磁芯，工字磁芯，多孔磁珠，贴片功率电感用工字磁芯以及屏蔽外壳等。普通贴片功率电感的磁导率多为NX-400，NX-500，插件工字电感,棒形电感多采用NX-100,
6、NX-400,NX-700,NX-1000。贴片功率电感系列主要有SP, CWPA,SPRH,SPRB, SPM.SPE,SPD, SPDR,SPC,SPF等。此类电感的应用频率高，功耗小，工艺成熟，是目前市场最常见的小功率电感。除此之外，还有采用低温共烧工艺（LTCC）、印刷工艺制作的铁氧体叠层电感CFI以及磁珠CFB。锰锌（MnZn）铁氧体，主要分为高导铁氧体，功率铁氧体和电信用温度稳定性铁氧体，磁导率80018000，饱和磁通密度Bs 0.4T0.54T,居里温度Tc 120280，应用频率10KHz4MHz，电阻率比NiZn小，且材料具有“硬”饱和特性（电感量随着电流增大有陡然衰减现象
7、），故在设计时需谨慎考量。一般将磁导率大于5000称为高导铁氧体，磁导率最高可达18000，主要用来制作宽带变压器，驱动变压器，电流互感器和共模电感等。高导铁氧体最常用于共模电感，吸收和反射电路中共模干扰，主要滤除30MHz以内的传导干扰。功率铁氧体的磁导率20002500（PC95 3300），饱和磁通密度Bs均大于0.48T，主要用来制作开关电源高频变压器，输出电感，谐振电感等。TDK的牌号主要包括PC30,PC40,PC44,PC45,PC46,PC47,PC90， PC95，在100KHz/200mT下，PC47的损耗低于250mW/cm3，而PC95在全温度范围内（25120）损耗密
8、度低于350 mW/cm3,在90低至280 mW/cm3，市面常见PC40(410 mW/cm3)和PC44(300 mW/cm3)。国内横店东磁和天通等磁芯厂商经多年发展，性能优异。功率铁氧体制作成功率电感时，主要通过在磁路中开气隙储存能量。由于气隙处存在杂散磁场，当应用频率过高或者交流磁感应强度太大，首先会引起较大的电磁干扰，其次气隙处可能产生噪音，第三杂散磁场会使得附近绕组产生涡流损耗，形成热点，长时间工作绝缘受损，最终电感短路失效。基于以上三点，所以磁芯需要合理分配气隙位置和气隙深度。在高频下其自身材料损耗密度远小于金属磁粉心，且磁芯形状多样，常见型号EC,EE，ER,EP,PQ,R
9、M,EQ等，配合我司成熟的扁平线绕线工艺，是大电流功率电感的主要方案，可生产成扁平线大电流电感。目前我司电感CSCM,CSCE,CSCF等系列产品，包括用于D类数字功放领域的CPD,CSD系列，均是MnZn功率铁氧体作为功率电感材料的具体应用。铁粉心，属于磁粉心家族的成员，采用粉末冶金工艺，将磁性材料颗粒和绝缘树脂按一定比例粘合后高压压制成型，饱和磁通密度高达为1.01.5T，是铁氧体Bs的23倍，天然具有分布式气隙，因此具有较高的储能能力。不像铁氧体和纳米晶等需要单独开气隙，因此EMC效果好。铁粉心主要分为氢还原铁粉心和羰基铁粉心。氢还原铁粉，一般称为铁粉心，磁导率Ui从10100，价格相对
10、低廉，按照美国微金属（MICROMETAL）牌号，常见有-2，-26，-52，-18，-18，-40。-2（10）材为红青环，损耗最低，-14（14）为黑红环，与-2材相比，磁导率略大，损耗相似。-18（55）常用来替代昂贵的-8（35），-40（60）为最为便宜的材料。最为常见得为黄白环-26（75）材质，性价比最好，适用于尺寸要求要求不严格，温升比较大的场合，可用-52材（75）绿蓝环替代进行优化。这类铁粉心具有老化问题，所以使用温度要求不宜过高，一般要求低于100度。这类铁粉心常用来压制成环形磁芯,也可压制成EE型和EC型。CODACA扁平线大电流电感CSB,CSCM,CSCD,CSCG
11、等系列是由自发研制的磁粉心生产的。另一类铁粉心为羰基铁粉心（Carbonyl Iron powder），频率从10KHz高达500MHz，磁导率135，主要用于射频领域，与普通铁粉心相比，应用频率高，损耗小且温度系数小。其中-4（9）材质为蓝白环，常用与谐振电感，用在LLC等谐振电路中，较为常见，其中-2（10）， -6（8.5），-7（9），-8（35）材可用于压制一体成型电感。CODACA一体成型电感采用德国巴斯夫BASF羰基铁原粉，饱和电流大，高频损耗密度小，性能优异。铁硅铬（FeSiCr），磁粉心家族的成员，Bs高达1.5T，损耗大比羰基铁大，也可用来制作一体成型电感，性价比高。铁硅磁
12、粉心（Mega Flux），饱和磁通密度高达1.6T,和硅钢材质类似，与High Flux相比饱和特性相似，损耗略高，但损耗又低于铁粉心，没有热老化问题，在大电流领域备受欢迎。在风能、太阳能和动车，UPS等领域，多采用块状磁粉心拼接成大功率电抗器；在通信领域多用EQ型扁平线圈绕组形成大电流电感，相同体积饱和特性远高于铁氧体材料大电流电感。另外铁硅镍（Neu Flux）磁粉心，损耗是铁硅的一半，是High Flux的低成本替代方案。这两种材料都具有极优异的饱和特性和温度稳定性，是大功率电路中电抗器的理想选择。以下材料使用不多，抛砖引玉，仅作简要介绍。金属磁粉心（MPP, High Flux,SE
13、NDUST,Nanodust等）中，MPP损耗最小，温度稳定性最高；High Flux的饱和电流大，损耗居中；SENDUST损耗小，性价比高；Nanodust纳米晶磁粉心，新兴材料，损耗低，可替代非晶磁粉心的克服噪音问题。非晶纳米晶（钴基非晶，铁基非晶，铁基纳米晶等），叵末合金和硅钢，多以带材卷绕成环形和U型，后两者也可冲压成EI片，三者均属于金属类磁性材料，共同特征为涡流损耗大，故应用频率不高；叵末合金磁导率高，用于音频变压器，音频电感和电流互感器等；非晶纳米晶在50KHz以下优于锰锌功率铁氧体，在100KHz以上涡流损耗急剧增大，性能逐渐劣与铁氧体。硅钢多用于1KHz一下，主要为工频（50
14、Hz）领域，作为电力变压器和电抗器等。4. 功率电感在工作点问题铁磁性材料随着外部磁场强度的增加，磁感应强度逐渐增加，磁场强度增加到一定值以后，磁感应强度趋于稳定，随着磁场强度减小为零，磁感应强度不按原来路径减小，且在磁场强度H=0时，仍保留一定的剩余磁感应强度Br。这种磁场强度H和磁感应强度B不同步的，且B落后H变化的现象，叫做磁滞现象。从上述信息可知道，铁磁性材料具有饱和现象和磁滞现象。磁性材料在应用中，会有不同的工作状态。如双极性变压器工作于磁滞回线的一三象限，电流互感器工作于初始磁化曲线位置，互感器会靠近准饱和区，升降压电感和直流输出滤波电感等功率电感一般处于偏置状态，工作于第一象限，
15、如下图：图中黄色面积覆盖的区域就是功率电感实际工作的区域，通常称B0（或者H0）为工作点，黄色区域面积反映磁芯的磁滞损耗。B为交流磁感应强度，和频率f一起决定了磁芯的损耗密度，进一步影响产品温升。B0+B/2应该小于0.8Bs(准饱和)。设计时，高频看温升，低频看饱和。磁性材料Bs随着温度的增加而衰减，常见的功率铁氧体PC40在25时饱和磁通密度Bs为0.51T,而100为0.44T。实际中不同应用环境下，工作点B0设计在0.2T0.34T。5. 功率电感的典型参数。功率电感最常看到的指标为L、DCR、Isat，Irms，Ir（Isat和Irms取最小值）。电感量L，为静态测试指标，即无偏置电
16、流时候的电感量。与其相对应的就是动态电感，即工作时的电感量，通常会有一定衰减。动态电感越大，电路中纹波电流越小，但体积和成本会相应增加。电感量大小主要与磁芯的磁导率，磁芯结构常量（磁路有效截面积Ae和磁路有效长度Le）以及线圈匝数，耦合程度，气隙位置等。直流电阻DCR，是绕组的基本特性，电阻会引入直流损耗， DCR越小越好。其材质多为紫铜，温度对紫铜的电阻率有一定影响，相对于20是的电阻，温度每上升一度，电阻率增加0.43%。在温度T时的工作电阻Ro遵循如下公式：Ro=Rdc*(1+（T-20）/234.5)= Rdc*(1+T*0.0043)例如产品温升50，按照上述公式，实际电阻是常温电阻的1.215倍，相应计算线圈损耗时相当于增加0.2倍。此外，随着频率的提高，因为趋肤效应导致高频电流趋于导体表面，实际载流面积减小而引入交流电阻Rac。在低压大电流的高频电源中，通常用扁平线来改善趋肤效应，C
