【技术】电感设计的原则介绍

时间： 2023-03-27 来源：岑科电感公众号

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电感器(Inductor)是能够把电能转化为磁能而存储起来的元件，具有阻止交流电通过而让直流电顺利通过的特性，频率越高，线圈阻抗越大。

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电感设计原则

原则一：电感不饱和（感值下降不超出合理范围）

由磁滞回线图可以看出，H加大时，B值也同时增加，但H加大到一定程度后，B值的增加就变得越来越缓慢，直至B值不再变化(u值越来越小，直至为零)，这时磁性材料便饱和了。通常电路中使用的电感都不希望电感饱和（特殊应用除外），其工作曲线应在饱和曲线以内，Hdc称为直流磁场强度或直流工作点。

对于储能滤波电感，由于需要承受一定的直流电流（低频电流相对与高频开关电流也可视为直流），也就是存在直流工作点Hdc不为零。磁芯需加气隙才能承受较大的直流磁通，如下图，所以该类电感通常选用铁粉芯做磁芯（有分散气隙）。

铁粉芯的磁导率与直流磁场强度关系图

由于磁芯加了分布气隙，其饱和过程就不是一个突变而是一个渐变的过程，所以电感的不饱和问题就转化为电感感值在直流量下的合理下降问题。

对于PFC、BOOST、BUCK的电感，电感的取值通常由设计要求最大纹波电流（Ripple Current）来决定（通常设计指标是最大纹波电流百分比）

可从磁芯厂商提供的图表或计算公式得到。通常，无论如何设计，在最大直流工作点处，都不应低于初始磁导率的30％，否则将导致感值摆动太大而对控制器产生不利影响。

对于PFC、BOOST电感，其直流工作点是50Hz/60Hz的工频信号，并不固定，如下图。

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）

电感主要由磁芯、线圈组成，所以其温度要求也由这两方面的限制构成。

磁芯（Core）：

储能电感的磁芯有铁粉芯、铁硅铝粉芯、铁氧体等构成，目前使用最多的是铁粉芯。铁粉芯存在高温老化导致失效的问题，其失效机理可解释如下：铁粉芯是由铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成，绝缘介质通常是高分子聚合物－树脂类构成，其在高温下绝缘性能会慢慢劣化，铁磁材料间的电阻会越来越小，从而磁芯的涡流损耗越来越大，大的损耗导致更高的温升，这样便形成了正反馈，这称为热跑脱效应（Thermal Run away）。

铁粉芯磁芯的寿命便是由热跑脱效应决定的，其与温度、工作频率和磁通密度都有关系。但也需提醒的是，如绝缘介质无高温劣化问题，磁芯便不会有热跑脱效应，这与各公司的使用的材料和工艺有关，并不绝对。

磁芯的温升与磁芯损耗直接相关，如前所述，磁芯损耗主要由磁滞损耗和涡流损耗构成，对于粉芯类磁芯，由于磁材料间绝缘阻抗很大，涡流损耗几乎可以忽略不计（但热跑脱效应是由于涡流损耗越来越大引起）。磁滞损耗只与频率和交流磁通密度（磁滞回线面积）有关，与其直流工作点磁通密度关系不大.

原则三：电感的工艺要求可以达成

线圈的绕法

循环式绕法是导线一直沿同一个方向绕制，多层导线之间相互叠压。

优点：可机器自动绕制，绕线系数高。

缺点：绕线起始端与结束端几乎没有间距，层间压差大，高压应用时易导致因压差过高而导线绝缘失效。

往复式绕法是导线绕完一层后反方向再绕下一层后，多层导线之间相互叠压。起始端与结束端有间距分开。

优点：可机器自动绕制；起始端与结束端有间距分开，可部分解决压差大导致的导线绝缘失效问题。

缺点：绕线起始端与结束端有间距分开，绕线系数不高。

渐进式绕法是导线由起始端沿一个方向绕到结束端，导线不分层。

优点：导线间压差小，绕线起始端与结束端有间距分开，适合高压应用。

缺点：需手工绕制，效率低，成本高；绕线凌乱，绕线系数低。

实际应用时，需根据电感工作的电压来决定选用何种绕法，但由于渐进式绕法的效率低、成本高，非不得已不要选用。

误差的确定

由于磁芯材料的磁参数均有较大的分布误差，批次不同或厂商不同则差异可能更大，通常为±15％～25％，所以设计时需考虑在参数偏差时所造成的影响。

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