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1、1 电磁学基本概念及公式31.1 基本概念 31.2 基本公式 42 磁元件的基本特性 42.1 磁滞效应( H YSTERESIS EFFECT)：42.2 霍尔效应 ( H ALL EFFECT) ：52.3 临近效应( PROXIMITY EFFECT) 52.4 磁材料的饱和 62.5 磁芯损耗 63 电感磁芯的分类及特点 73.1 磁芯材料的分类及其特点 73.1.1 铁氧体( Ferrite ) 73.1.2 硅钢片( Silicon Steel ) 8.3.1.3 铁镍合金(又称坡莫合金或MPP) 8.3.1.4 铁粉芯( Iron Powder ) 83.1.5 铁硅铝粉芯(又
2、称Sendust 或 Kool Mu )8.3.2 磁芯的外形分类： 83.3 电感的结构组成 93.3.1 环型电感 9332 EE型电感/变压器1.0.3.4 电感的主要类型： 103.5 电感磁芯主要参数说明 114 电感在 UPS 中的应用 1.25 电感设计的原则 1.45.1 原则一：电感不饱和（感值下降不超出合理范围） 14.5.2 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） 1.7.5.3 原则三：电感的工艺要求可以达成196 电感设计规范表2.1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
3、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 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=10 4 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=10 3/4 n A/m 。4 ） 磁导率：磁通密度与磁场强度之比，以 诫示，实际使用中通常指相对于真空的
4、磁导率，真空中的磁导率po =4 nXIO -7 H/m 。5 ） 磁体：磁导率远大于 p 的物质，如铁，镍，钻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。图2.1环形铁心的铁窗面 积与磁路长度示意图1.2 基本公式磁导率B/H磁势F N
5、I磁通F/R磁通密度B /A磁场强度H NI/I其中A为铁窗面积法拉第电磁感应定律：穿 其中I为等效磁路长度 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：de N 磁场中的磁体存储的能M为：dt1Wm BHV其中V为磁场中磁体的体积2电学与磁学的对偶关系表电路磁路电动势磁通势F电流I磁通电阻R磁阻R电阻率Y磁导率电流密度J磁通密度B电场强度E磁场强度H欧姆定律 = R洛伦兹定律FFR表2.1磁滞曲线图2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
6、缓的现象称为磁 滞。0 Magnetic Flux Density0 Satiation FlDensityB RemarenceH -MagnebFciekl SlrengthH.CoercivFeorceV-Ini 倔 ParmAhih1图3.1磁滞曲线图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。霍尔效应示意图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。相邻层的导线若电流方向相同，电流
7、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)。图3.3邻近效应示意图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。3电感磁
8、芯的分类及特点3.1 磁芯材料的分类及其特点品态合金硅钢片J铁银合金MPP合金类铁基非晶非晶态钻基非晶合金铁银基非晶J纳米晶铁粉芯软磁材料V铁硅铝粉芯KooL MuHigh FluxMPP粉芯3.1.1 铁氧体（Ferrite ）Mn-ZnNi-N n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，电阻率图，图频损耗较小。缺点：饱和磁通较低（40005000高斯），居里温度点较低。多适于10K - 500KHZ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
9、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。3.1.2 硅钢片（Silicon Steel ）在纯铁中加入少M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 铁银合金（又称坡莫合金或MPP）坡莫合金常指铁银系合金，银含M在3090%范围内。优
10、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，随宜流电流的变化也相对稳定，成本较低。缺点：磁导率低，图频下损耗图，有图温老化问题。因其宜流电流叠加性能好，常用于工频或宜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.
11、1.5 铁硅铝粉芯（又称 Sen dust或Kool Mu ）构成：由约 9%AI, 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。其宜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 ArnoldMSS ）系列。3.2磁芯的外形分类：-eEC COREV公司的 Sendust (Super-SULIU CbN I-K KJ5 IPOT CORERM CORERM COREDR CORETOROID CORE图4.1磁芯外形图上图磁芯的组合便可形
12、成完整的Core常用 Core 的外形有：EE、El、ETD、DR、TOROID3.3电感的结构组成3.3.1 环型电感引脚（通常做固定用）线圈（Coil）基座（Base）电气引脚（Pin）磁芯（Core）旨（Epoxy）图4.2环形电感结构图注：磁芯表面必须有覆盖层（Coating 未Coating的磁芯一般呈灰黑色。）或用绝缘Tape缠绕以做 绝缘,3.3.2 EE型电感/变压器磁芯（Core ）线圈（Coil ）线圈骨架（Bobbin ）sq |图4.3 EE型电感/变压器图结构图线圈Margin Tape* Bobbin Wall图4.4 EE型电感/变压器图剖面图3.4电感的主要类型
13、EMI 共模电感穿线磁珠储能电感图4.5电感主要类型图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I :磁芯的等效磁路径长度电感系数Al : Al-Z这个系数表现的是同一个铁芯的感值与圈数的关系，N2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 ：图4.6磁芯参数示意图4电感在UPS中的应用AC Power2BOOST电感B00ST+3LEVEL BRIDGE0/P0/P N图5.1件浅式大机常用整机拓扑-BUS图5.2在线式小机常用 PFC拓扑 Vienna BOOSTXNSXSN图5.3在线式小机常用 DC-DC 拓扑 PUSH-PULLBus+
