电感元件设计标准规范统一标准.doc

1 电磁学基本概念及公式 2
1.1 基本概念 2
1.2 基本公式 2
2 磁元件基本特性 3
2.1 磁滞效应（Hysteresis Effect）： 3
2.2 霍尔效应（Hall Effect）： 3
2.3 临近效应（Proximity Effect） 3
2.4 磁材料饱和 4
2.5 磁芯损耗 4
3 电感磁芯分类及特点 5
3.1 磁芯材料分类及其特点 5
3.1.1 铁氧体（Ferrite） 5
3.1.2 硅钢片（Silicon Steel） 6
3.1.3 铁镍合金（又称坡莫合金或MPP） 6
3.1.4 铁粉芯（Iron Powder） 6
3.1.5 铁硅铝粉芯（又称Sendust或Kool Mu） 6
3.2 磁芯外形分类： 6
3.3 电感构造构成 7
3.3.1 环型电感 7
3.3.2 EE型电感/变压器 8
3.4 电感重要类型： 8
3.5 电感磁芯重要参数阐明 9
4 电感在UPS中应用 9
5 电感设计原则 12
5.1 原则一：电感不饱和（感值下降不超过合理范畴） 12
5.2 原则二：电感损耗导致温升在容许范畴内（考虑使用寿命） 15
5.3 原则三：电感工艺规定可以达到 17
6 电感设计规范表 18

目
磁性元件设计是开关电源设计中重点和难点，究其因素是磁性元件属非原则件，其设计时需考虑设计参数众多，工艺问题也较为突出，分布参数复杂。为协助硬件工程师尽快理解磁性元件，优化设计并减少设计中错误，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：穿过磁路磁力线总数，以Ф表达，单位韦伯（Wb）。
2） 磁通密度（磁感应强度）：垂直于磁力线方向上单位面积磁通量，以B表达，单位高斯（Gauss）或特斯拉（T），1 T=104 Gauss。
3） 磁场强度：单位磁极在磁场中磁力，以H表达，单位安[培]每米（A/m）或奥斯特（Oe），1 Oe=103/4π A/m。
4） 磁导率：磁通密度与磁场强度之比，以μ表达，实际使用中普通指相对于真空磁导率，真空中磁导率μ0 =4π×10-7 H/m。
5） 磁体：磁导率远不不大于μ0 物质，如铁，镍，钴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表达。
8） 自感：磁通变化率与电流变化率之比称自感，以L表达。
9） 互感：由于A线圈电流变化而引起B线圈磁通变化现象，B线圈磁通变化率与A线圈电流变化率之比称为A线圈对B线圈互感，以M表达。

1.2 基本公式

图2.1 环形铁心铁窗面积与磁路长度示意图

法拉第电磁感应定律：
穿过闭合回路磁通发生变化，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，感应电动势大小：

磁场中磁体存储能量为：

电学与磁学对偶关系表：
R
磁阻
R
电阻
F＝ Φ R
洛伦兹定律
ε ＝I R
欧姆定律
H
磁场强度
E
电场强度
B
磁通密度
J
电流密度
μ
磁导率
γ
电阻率
Φ
磁通
I
电流
F
磁通势
ε
电动势
磁路
电路

表2.1 磁滞曲线图

2 磁元件基本特性
2.1 磁滞效应（Hysteresis Effect）：
磁化过程中，磁通密度B变化较磁化力F变化迟缓现象称为磁滞。

图3.1 磁滞曲线图

2.2 霍尔效应（Hall Effect）：
流过电流导体穿过磁场时，在导体两端产生感应电势现象，称为霍尔效应。

图3.2 霍尔效应示意图

2.3 临近效应（Proximity Effect）
流过电流导线会产生磁场，相邻导线在互相磁场（也可以是外加磁场）作用下会产生电流挤到导体一边现象成为临近效应。相邻层导线若电流方向相似，电流会往外侧挤，相邻层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运用率下降，铜损增长（与趋肤效应类似）。

图3.3 邻近效应示意图

2.4 磁材料饱和
随着磁性材料中磁场强度增长，其磁通密度也增大，但当磁场强度大到一定限度时，其磁通不再增长(见图3.1磁滞回线Bs)，这称为磁饱和。

2.5 磁芯损耗
磁芯损耗重要由磁滞损耗和涡流损耗构成。
单位体积内磁滞损耗正比与磁场交变频率f 和磁滞回线面积。
涡流损耗是指当通过磁芯磁通交变时，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，它与磁芯材料电阻率关于，与频率f 也关于。

3 电感磁芯分类及特点

3.1 磁芯材料分类及其特点

3.1.1 铁氧体（Ferrite）
以Fe2O3为主成分亚铁磁性氧化物，有Mn-Zn、Cu-Zn、Ni-Zn 等几类，其中Mn-Zn 最为惯用。
长处：成型容易，成本低，电阻率高，高频损耗较小。
缺陷：饱和磁通较低（4000~5000高斯） ，居里温度点较低。
多适于10K－500KHz频率，较低功率应用。惯用作高频变压器，小功率储能电感等。高磁导率铁氧体也惯用作EMI共模电感。惯用材质有TDK公司PC40，TOKIN公司BH2，Siemens公司N67，Philips公司3C90等。

3.1.2 硅钢片（Silicon Steel）
在纯铁中加入少量硅（普通在4.5%如下）形成铁硅系合金
长处：易于生产，成本低，饱和磁通较高（约1高斯）。
缺陷：电阻率低，高频涡流损耗大。
普通使用频率不不不大于400Hz，在低频、大功率下最为合用。惯用做电力变压器，低频电感，CT等。惯用材质有新日铁公司取向硅钢Z11（35Z155）。

3.1.3 铁镍合金（又称坡莫合金或MPP）
坡莫合金常指铁镍系合金，镍含量在30~90%范畴内。
长处：磁导率很高，损耗很低，高频性能好
缺陷：成本高
由于成本过高，当前公司内未使用。

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一种软磁材料，存在分散气隙（效果类似与铁磁材料开气隙）。惯用铁粉芯是由碳基铁磁粉及树脂碳基铁磁粉构成。
长处：磁导率随频率变化较为稳定，随直流电流变化也相对稳定，成本较低。
缺陷：磁导率低，高频下损耗高，有高温老化问题。
因其直流电流叠加性能好，惯用于工频或直流中叠加高频成分滤波和储能电感，如PFC电感，INV电感，BUCK电路储能电感。惯用材质为MircoMetals公司-8、-26、-34、-35系列。

3.1.5 铁硅铝粉芯（又称Sendust或Kool Mu）
构成：由约9%Al，5%Si，85%Fe 粉构成。
长处：损耗较低，性价比较优。
缺陷：价格比铁粉芯略高。
其直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电感和逆变器输出滤波电感。惯用材质为Magnetics公司Kool Mu系列，以及Arnold公司Sendust（Super-MSS）系列。

3.2 磁芯外形分类：

I CORE

DR CORE
TOROID CORE

图4.1 磁芯外形图

上图磁芯组合便可形成完整Core。
惯用Core外形有：EE、EI、ETD、DR、TOROID

3.3 电感构造构成

3.3.1 环型电感

粘着树脂（Epoxy）
线圈（Coil）
磁芯（Core）
基座（Base）
电气引脚（Pin）
引脚（普通做固定用）

图4.2 环形电感构造图

注：磁芯表面必要有覆盖层（Coating）或用绝缘Tape缠绕以做绝缘，未Coating磁芯普通呈灰黑色。

3.3.2 EE型电感/变压器
磁芯（Core）
线圈（Coil）
线圈骨架（Bobbin）

图4.3 EE型电感/变压器图构造图

Margin Tape
Tape
Bobbin Wall
线圈（Coil）

图4.4 EE型电感/变压器图剖面图

3.4 电感重要类型：
EMI共模电感

穿线磁珠
储能电感

图4.5 电感重要类型图

3.5 电感磁芯重要参数阐明
铁窗面积Ae ：铁芯有效横截面积
铜窗面积Aw ：可运用绕线横截面积
绕线系数 Kw ：实际有效绕线横截面积与可运用绕线横截面积之比
等效磁路长度：磁芯等效磁途径长度
电感系数AL ：，这个系数体现是同一种铁芯感值与圈数关系，可见对于拟定
铁芯，感值与圈数平方成正比。
磁芯损耗（铁损）Pcore loss：
线圈损耗（铜损）Pcoil loss：

Aw
Ae
Ae
Aw

图4.6 磁芯参数示意图

4 电感在UPS中应用
DC-DC某些
逆变某些
BOOST电感
INV电感

图5.1在线式大机惯用整机拓扑——BOOST+3LEVEL BRIDGE

PFC电感

图5.2在线式小机惯用PFC拓扑——Vienna BOOST

DC-DC电感

图5.3在线式小机惯用DC-DC拓扑——PUSH-PULL

BUCK电感

图5.4在线式大机惯用CHGR拓扑——BUCK

以上四个重要拓扑所用电感均为储能或滤波电感，其中电流是直流或低频电流（50Hz）与高频电流（开关频率）叠加。
EMI共模电感

图5.5惯用三相输入EMI滤波器电路

EMI共模电感为一种特殊构造电感，其普通串在市电输入或UPS输出端，输入零火线同步绕入并且圈数相等。当流经电感零火线电流之和为零时（差模电流），电感由于磁通抵消因素不体现出感性（此时与导线无异），当流经电感零火线电流不为零时（共模电流），电感体现出感性以抑制共模干扰信号。

5 电感设计原则

5.1 原则一：电感不饱和（感值下降不超过合理范畴）
由磁滞回线图可以看出，H加大时，B值也同步增长，但H加大到一定限度后，B值增长就变得越来越缓慢，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。普通电路中使用电感都不但愿电感饱和（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。

H
B
D
D
ΔB
ΔH
Hdc
饱和曲线
工作曲线

图6.1磁芯在直流工作点下磁滞回线

对于储能滤波电感，由于需要承受一定直流电流（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。磁芯需加气隙才干承受较大直流磁通，如下图，因此该类电感普通选用铁粉芯做磁芯（有分散气隙）。
加气隙后磁滞曲线变化

图6.2磁芯加气隙对磁滞回线影响图

图6.3铁粉芯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种突变而是一种渐变过程，因此电感不饱和问题就转化为电感感值在直流量下合理下降问题。
对于PFC、BOOST、BUCK以及DC-DC电感，电感取值普通由设计规定最大纹波电流（Ripple Current）来决定（普通设计指标是最大纹波电流比例）。
其中，对于BUCK和DC-DC电感，其直流工作点（IAVG）相对恒定，如图

Iavg
△I

图6.4 BUCK&DC-DC电感电流波形图

是纹波电流峰峰值
这是在最大直流工作点时，所需电感最小感值
电感初始感值与最大直流工作点下感值关系

其中与（）直接有关，只要计算出，可从磁芯厂商提供图表或计算公式得到。普通，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工频信号，并不固定，如下图。
Ipeak_avg

图6.4 PFC&BOOST电感电流波形图

此时，最大纹波电流比例定义为最大纹波电流与额定输入电压下电感电流峰值之比。

注意，BOOST拓扑最大纹波电流发生在输入瞬时电压为BUS电压一半处，此时占空比为0.5。

，注意，此处直流工作点是输入瞬时电压为BUS电压一半时相应输入瞬时电流。
同步，在最恶劣条件最大直流工作点下（低压满载输入电流峰值），也都不应低于初始磁导率30％。

对于INV电感，电感取值普通看控制器能否可靠限流来决定。
由于INV电感需承受RCD等非线性冲击负载，因此UPS普通有波峰因数比不不大于3：1规定，考虑实际逆变限流会稍不不大于3:1，普通取到4：1，因此，INV电感最大直流工作点可以设为4:1（4倍于额定负载下电感电流有效值）。固然，若波峰因数规格规定变化，需要做相应调节。
最大直流工作点下，不应低于初始磁导率30％，否则很也许导致限流不可靠而损坏INV开关管。
感值拟定后，选取恰当磁芯，查规格可得其AL值，用如下公式就可算出匝数。

5.2 原则二：电感损耗导致温升在容许范畴内（考虑使用寿命）
电感重要由磁芯、线圈构成，因此其温度规定也由这两方面限制构成。

磁芯（Core）：
储能电感磁芯有铁粉芯、铁硅铝粉芯、铁氧体等构成，当前使用最多是铁粉芯。铁粉芯存在高温老化导致失效问题，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，绝缘介质普通是高分子聚合物－树脂类构成，其在高温下绝缘性能会慢慢劣化，铁磁材料间电阻会越来越小，从而磁芯涡流损耗越来越大，大损耗导致更高温升，这样便形成了正反馈，这称为热跑脱效应（Thermal Run away）。铁粉芯磁芯寿命便是由热跑脱效应决定，其与温度、工作频率和磁通密度均关于系。当前公司使用较多MicroMetals公司铁粉芯存在上述问题。但也需提示是，如绝缘介质无高温劣化问题，磁芯便不会有热跑脱效应，这与各公司使用材料和工艺关于，并不绝对。
磁芯温升与磁芯损耗直接有关，如前所述，磁芯损耗重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视不计（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）关于，与其直流工作点磁通密度关系不大，如下公式是MicroMetals公司铁粉芯磁芯损耗计算经验公式：

其中为开关工作频率，B（单位Gauss）为一种开关周期内交流磁通密度峰值，其为个开关周期内交流磁通密度峰峰值一半（）。为常数，与材质关于，惯用材质常数见下表。

Materials
a
b
c
d
-8
1.9×10e9
2.0×10e8
9.0×10e5
2.5×10e-14
-26
1.0×10e9
1.1×10e8
1.9×10e6
1.9×10e-13
-34
1.1×10e9
3.3×10e7
2.5×10e6
7.7×10e-14
-35
3.7×10e8
2.2×10e7
2.2×10e6
1.×10e-13

对于BUCK和DC-DC电感，稳态工作时，脉宽也基本稳定，因此B值很容易拟定。但对于PFC、BOOST和INV电感，其脉宽始终是变动，B值也始终是变动，因此在一种工频周期内瞬时损耗也是不定，这时损耗应以一种工频周期平均值来衡量。
咱们懂得最大电流纹波发生在输入（或输出）是输出（或输入）电压一半时候得到，其实此时也是瞬时交流磁通密度达到最大时候，称之为，因此此时瞬时损耗也达到最大。通过理论计算与实践检查，发现最恶劣条件下与有如下关系：
BOOST拓扑：＝0.7×
INV某些：＝K×
其中K与电路拓扑以及输出电压调制比（）关于。下图是半桥和全桥逆变拓扑电压调节率与K关系。
图6.4平均功率与峰值功率比和电压调节率关系图

公司当前BUS电压介于340V~400V间，因此电压调节率介于0.7~0.9间，由图可看出K介于0.35~0.6范畴。

线圈（Coil）：
线圈损耗是电流在导线电阻上产生。电感中导线电流普通包括工频或直流成分低频电流和开关频率高频电流。
其电流有效值为

为简化计算，当最大纹波电流不大于20％时，可基本忽视其影响，，当最大纹波电流不不大于20％时，需计算此电流有效值。同步，当最大纹波电流不不大于20％时，需考虑导线趋肤效应影响，否则，可以忽视。
导线损耗与电流密度有直接关系，普通电流密度都会在感值与绕线系数间折中。
在自然冷却条件下： 普通取（2～3 A/mm2）
在风冷条件下： 普通取（4～9 A/mm2）

磁损与铜损比例：
磁芯材料（除硅钢片较好外）普通是热不良导体，热阻较高，而铜线是热良导体，热阻很小。再加上通惯用环形磁芯都是线圈包住铁芯（内铁式）。因而线圈上热量可以较磁芯上热量更好地散发出去。为保证铁芯温度可以受控制，
最低规定 较佳设计

电感容许温度在《元器件温升设计参照规范》中已有定义。

5.3 原则三：电感工艺规定可以达到
电感理论设计完毕后，就需要考虑工程实现问题了。
需考虑工艺问题有：
1、电感线圈与否可绕得下
这个问题也是就电感铜窗运用率（有效绕线系数）问题。
其中是有效导体面积，是磁芯铜窗面积
对于大多数磁芯，绕线系数规定
最低规定
较佳设计 这样磁芯运用率最高

2、线圈绕法
电感线圈绕法重要有循环式、往复式、渐进式三种。
循环式绕法
往复式绕法
渐进式绕法
灰色表达有导线区域
白色表达无导线区域

循环式绕法是导线始终沿同一种方向绕制，多层导线之间互相叠压。
长处：可机器自动绕制，绕线系数高。
缺陷：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，多层导线之间互相叠压。起始端与结束端有间距分开。
长处：可机器自动绕制；起始端与结束端有间距分开，可某些解决压差大导致导线绝缘失效问题。
缺陷：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种方向绕到结束端，导线不分层。
长处：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。
缺陷：需手工绕制，效率低，成本高；绕线零乱，绕线系数低。

实际应用时，需依照电感工作电压来决定选用何种绕法，但由于渐进式绕法效率低、成本高，非不得已不要选用。

3、误差拟定
由于磁芯材料磁参数均有较大分布误差，批次不同或厂商不同则差别也许更大，普通为±15％～25％，因此设计时需考虑在参数偏差时所导致影响。

6 电感设计规范表

规定项目
条件
建议值
极限值
备注
电感不饱和
（感值下降合理）
在最大直流工作点下

>30%初始电感值

铁损与铜损比例

3：7（铁损<30%总损耗）
4：6（铁损<40%总损耗）

磁芯内部温度
最恶劣条件

<130℃
仅针对铁粉芯
绕线系数

0．4
<0．45

线圈电流密度

自然冷却
2～3 A/mm2

铜导线
强制风冷
4～9 A/mm2

铜导线

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