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1、磁铁氧体磁芯电感的设计与选择1磁性材料的选择在选用磁性材料时，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镍合金。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；铁镍合金具有极高的磁导率，极低的矫顽磁 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
2、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100C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 磁芯型号目前磁芯有罐型、PM、RM、PQ、EE、EC、EP、ETD、RC、UU、和UI各种型号，以及新发展 的平面磁芯，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
3、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，有较大的窗口面积，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面大，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磁芯的中柱圆形截面与EE型相同矩形截面积时，圆形截面每匝线罔比矩形短大约1 1%，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E
4、E 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节电感量，调节范围可以到达 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面积比。因磁芯损耗正比于磁芯体积，而散热 能力正比于辐射表面，该形状磁芯在给定输出功率下面有最小的温升，因此，在给定输出功率下 体积最小。LP、 EFD、 EPC 型磁芯主要为平面变压器设计的。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
5、域，计算相当困难。UU型和UI型主要用在高压和大功率的水平，很少用在l 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 磁芯尺寸在磁芯材料和磁芯形状确定了以后，下一步工作就是估算磁芯尺寸。当功率比较小时，比 较通用的方法是面积乘积法，它是磁芯截面积和线圈有效窗口面积的乘积。3.1 损耗不严重当损耗不严重，经验公式如式(1)所列式中：AW为窗口面积；Ae 为磁芯截面积；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
6、强度。3.2 损耗严重损耗严重时，经验公式如式(2)所列。式中：ARmax为最大磁通密度摆幅；K1 及 K2 系数的取值如表 l 所列。表1心及心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0.0130.009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，上面公式不 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/W二也二隔乩厶(3)式中：H5为气隙磁场强度；6为气隙长度；Ho
7、 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A f HL=H= g 电感公式为联立式(4、式(5)，可以得到N二卩式(6)就为线圈匝数估算公式，其中电流取电感的最大峰值电流Ip。(4)(5)(6)5 气隙估算 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置，为了有效地储存能量和 把能量返回到电路中去，由气隙储能的关系，可得可知，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
8、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。%=y筈斗必 把L、Ip、p o、Bmax代入式(8)求出V,然后根据磁芯所开气隙的截面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，表面电流密度大，使导线的有效截面积减少，其有效截面积的减少可以用穿透深度来表示， 的意义如下，从表面到电流密度下降到表面电流密度的O.368的厚度为穿透深度,即认为表面 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 3和导线物理性能的关系为式中：卩o
9、为导线材料的磁导率: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 电流密度在大功率条件下，电流密度的选择一般在2.53A/mm2,在自然冷却条件下，一般选取电流 密度在46.5A/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8 A/mm2,甚 至可以到达10 /mm2。电流密度选择高，导线的截面积小，相同窗口绕更多的导线，且是导线电 阻大，铜损也大。当计算得到的线径大于穿透深度决定的最大线径时，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
10、滤波电感，逆变器输出115V/400 Hz和220 V/50 H z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180H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
11、为O.38T，价格相对低廉。7.2 磁芯形状根据前面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，我们选用了 EE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，所以不 能按照经验公式来指导磁芯尺寸的选择，只能按照设计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 EEl85 磁芯，如图 1 所示，把两副拼在一起组成一个磁芯，单个磁芯具体尺寸 如表2所示。图1EE185外形图表2EE185磁芯尺寸mmABCDEF1857727.553128507.4 匝数计算月 c=2xCx2x2
12、7.5x53xiO=2,915x1 Om2/180x10x250 w 73一彳占钿 2.915x 10x0387.5气隙大小计算由能量守恒，可得Vx民爲二”驱g25(HV=97 902mm2 V 97902“ 耳d=-=33. mm4,2915由于两边都开气隙所以5*=-=16.75 mm7.6确定导体尺寸设铜皮工作时的温度为80C，则K=l+(T-20 )/234.5=176;w=2TT/=6,28x25000L57xl05rad/s=f47tx107；尸 541炉05，2J26_.5 7x10x4ttx10-7x58 x 106A=v=-4.7x 1 J 4mc所以选择铜皮厚度小于两倍穿透
13、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。由M二隔力41x250x4的 x 10335xlO-3二038 T可知：电流达到 250A 时不饱和。按照上面的设计做出一个电感，得到的感值为366H,如果要使电感为180H,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。所以我们保持理论计算出的气隙不变,减 小匝数，就可以减小感值，而且由
14、式(4)，减小匝数磁芯肯定不会饱和，我们测出了匝数为 4l 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，即妙二/黑 x41=2&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4.56357953 L913435.217366.222318J27276.232243.648184调整后（匝数为29匝）实际测量出气隙为17mm，感值为180仇H。8 结束语磁芯元件的设计很复杂，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。【关闭窗口】【打印该页】本信息真实性未经证实，仅供您参考。部分文章网络搜集而来如有版权问题请联系我们，我们将及时删除
