電感設計的三個(gè)原則

原則一

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（特殊應用除外），其工作曲線(xiàn)應在飽和曲線(xiàn)以?xún)?，Hdc稱(chēng)為直流磁場(chǎng)強度或直流工作點(diǎn)。

對于儲能濾波電感，由于需要承受一定的直流電流（低頻電流相對與高頻開(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）。

由于磁芯加了分布氣隙，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)題就轉化為電感感值在直流量下的合理下降問(wèn)題。

對于PFC、BOOST、BUCK以及DC-DC電感，電感的取值通常由設計要求最大紋波電流（Ripple Current）來(lái)決定（通常設計指標是最大紋波電流百分比）。

其中，對于BUCK和DC-DC電感，其直流工作點(diǎn)（IAVG）相對恒定，如圖這是在最大直流工作點(diǎn)時(shí)，所需的電感最小感值。

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

對于PFC、BOOST電感，其直流工作點(diǎn)是50Hz/60Hz的工頻信號，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，BOOST拓撲的最大紋波電流發(fā)生在輸入瞬時(shí)電壓為BUS電壓一半處，此時(shí)占空比為0.5。

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)對應的輸入瞬時(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），也都不應低于初始磁導率的30％。

對于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)性沖擊負載，所以UPS通常有波峰因數比大于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)可以設為4:1（4倍于額定負載下的電感電流有效值）。當然，若波峰因數規格要求改變，需要做相應調整。

最大直流工作點(diǎn)下，μdc% 不應低于初始磁導率的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，選擇恰當的磁芯，查規格可得其AL值，用以下公式就可算出匝數。

原則二

電感損耗導致的溫升在允許的范圍內（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成。

磁芯（Core）

儲能電感的磁芯有鐵粉芯、鐵硅鋁粉芯、鐵氧體等構成，目前使用最多的是鐵粉芯。鐵粉芯存在高溫老化導致失效的問(wèn)題，其失效機理可解釋如下：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，大的損耗導致更高的溫升，這樣便形成了正反饋，這稱(chēng)為熱跑脫效應（Thermal Run away）。鐵粉芯磁芯的壽命便是由熱跑脫效應決定的，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，這與各公司的使用的材料和工藝有關(guān)，并不絕對。

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成，對于粉芯類(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（但熱跑脫效應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，以下公式是某公司鐵粉芯磁芯損耗計算的經(jīng)驗公式：

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

對于BUCK和DC-DC電感，穩態(tài)工作時(shí)，脈寬也基本穩定，所以B值很容易確定。但對于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)工頻周期內的瞬時(shí)損耗也是不定的，這時(shí)的損耗應以一個(gè)工頻周期的平均值 Pcore-loss-avg 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)交流磁通密度達到最大的時(shí)候，稱(chēng)之為，所以此時(shí)的瞬時(shí)損耗也達到最大。經(jīng)過(guò)理論計算與實(shí)踐檢驗，發(fā)現最?lèi)毫訔l件下 Pcore-loss-peak 與 Pcore-loss-avg 有如下關(guān)系：

其中K與電路拓撲以及輸出電壓調制比Vo_pp/2VBUS有關(guān)。

目前BUS電壓介于340V~400V間，所以電壓調整率介于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線(xiàn)電阻上產(chǎn)生的。電感中導線(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）通常是熱的不良導體，熱阻較高，而銅線(xiàn)是熱的良導體，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

原則三

電感理論設計完成后，就需要考慮工程實(shí)現的問(wèn)題了。

需考慮的工藝問(wèn)題有：電感線(xiàn)圈是否可繞得下、線(xiàn)圈的繞法、誤差的確定。

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

●循環(huán)式繞法是導線(xiàn)一直沿同一個(gè)方向繞制，多層導線(xiàn)之間相互疊壓。優(yōu)點(diǎn)是可機器自動(dòng)繞制，繞線(xiàn)系數高。缺點(diǎn)是繞線(xiàn)起始端與結束端幾乎沒(méi)有間距，層間壓差大，高壓應用時(shí)易導致因壓差過(guò)高而導線(xiàn)絕緣失效。

●往復式繞法是導線(xiàn)繞完一層后反方向再繞下一層后，多層導線(xiàn)之間相互疊壓。起始端與結束端有間距分開(kāi)。優(yōu)點(diǎn)是可機器自動(dòng)繞制；起始端與結束端有間距分開(kāi)，可部分解決壓差大導致的導線(xiàn)絕緣失效問(wèn)題。缺點(diǎn)是繞線(xiàn)起始端與結束端有間距分開(kāi)，繞線(xiàn)系數不高。

●漸進(jìn)式繞法是導線(xiàn)由起始端沿一個(gè)方向繞到結束端，導線(xiàn)不分層。優(yōu)點(diǎn)是導線(xiàn)間壓差小，繞線(xiàn)起始端與結束端有間距分開(kāi)，適合高壓應用。缺點(diǎn)是需手工繞制，效率低，成本高；繞線(xiàn)零亂，繞線(xiàn)系數低。

實(shí)際應用時(shí)，需根據電感工作的電壓來(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。

由于磁芯材料的磁參數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％，所以設計時(shí)需考慮在參數偏差時(shí)所造成的影響