电感元件设计规范

1电磁学基本概念及公式 (3)1.1 基本概念 (3)1.2 基本公式 (4)2磁元件的基本特性 (4)2.1 磁滞效应（H YSTERESIS E FFECT）： (4)2.2 霍尔效应（H ALL E FFECT）： (5)2.3 临近效应（P ROXIMITY E FFECT） (5)2.4 磁材料的饱和 (6)2.5 磁芯损耗 (6)3电感磁芯的分类及特点 (7)3.1 磁芯材料的分类及其特点 (7)3.1.1铁氧体（Ferrite） (7)3.1.2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） (8)3.1.5铁硅铝粉芯（又称Sendust或Kool Mu） (8)3.2 磁芯的外形分类： (8)3.3 电感的结构组成 (9)3.3.1环型电感 (9)3.3.2EE型电感/变压器 (10)3.4 电感的主要类型： (10)3.5 电感磁芯主要参数说明 (11)4电感在UPS中的应用 (12)5电感设计的原则 (14)5.1 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） (17)5.3 原则三：电感的工艺要求可以达成 (19)6电感设计规范表 (21)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Ф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=104 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=103/4πA/m。

4）磁导率：磁通密度与磁场强度之比，以μ表示，实际使用中通常指相对于真空的磁导率，真空中的磁导率μ0 =4π×10-7 H/m。

5）磁体：磁导率远大于μ0的物质，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。

1.2 基本公式法拉第电磁感应定律：穿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：磁场中的磁体存储的能量为：为磁场中磁体的体积其中V BHV Wm21=电学与磁学的对偶关系表：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 的变化迟缓的现象称为磁滞。

d e Ndtφ=为等效磁路长度其中磁场强度为铁窗面积其中磁通密度磁通磁势磁导率l l NI H A A B RF NI F H B / / / / =====φφμ图2.1 环形铁心的铁窗面积与磁路长度示意图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2.2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。

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3.1 磁滞曲线图图3.2 霍尔效应示意图图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 电感磁芯的分类及特点3.1 磁芯材料的分类及其特点3.1.1 铁氧体（Ferrite ）以Fe 2O 3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，电阻率高，高频损耗较小。

缺点：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。

软磁材料合金类粉芯类硅钢片铁镍合金MPP晶态合金非晶态合金铁基非晶钴基非晶铁镍基非晶纳米晶铁粉芯铁硅铝粉芯KooL MuHigh Flux MPP 粉芯铁氧体Mn-ZnNi-Nn3.1.2硅钢片（Silicon Steel）在纯铁中加入少量的硅（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%范围内。

优点：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，随直流电流的变化也相对稳定，成本较低。

缺点：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，常用于工频或直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。

3.1.5铁硅铝粉芯（又称Sendust或Kool Mu）构成：由约9%Al, 5%Si, 85%Fe 粉构成。

优点：损耗较低，性价比较优。

缺点：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Arnold公司的Sendust（Super-MSS）系列。

3.2磁芯的外形分类：上图磁芯的组合便可形成完整的Core 。

常用Core 的外形有：EE 、EI 、ETD 、DR 、TOROID3.3 电感的结构组成3.3.1 环型电感TOROID COREDR COREI CORE粘着树脂（Epoxy ） 线圈（Coil ） 磁芯（Core ）图4.1 磁芯外形图注：磁芯表面必须有覆盖层（Coating ）或用绝缘Tape 缠绕以做绝缘，未Coating 的磁芯一般呈灰黑色。

3.3.2 EE 型电感/变压器3.4 电感的主要类型：EMI 共模电感磁芯（Core ）线圈（Coil ）线圈骨架（Bobbin ）Margin TapeTapeBobbin Wall线圈（Coil ）图4.2 环形电感结构图图4.3 EE 型电感/变压器图结构图图4.4 EE 型电感/变压器图剖面图3.5 电感磁芯主要参数说明铁窗面积A e ：铁芯的有效横截面积 铜窗面积A w ：可利用的绕线横截面积绕线系数 K w ：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l ：磁芯的等效磁路径长度电感系数A L ：2NLA L ，这个系数表现的是同一个铁芯的感值与圈数的关系，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）P core loss ： 线圈损耗（铜损）P coil loss ：储能电感穿线磁珠A wA eA e A wll图4.5 电感主要类型图图4.6 磁芯参数示意图4 电感在UPS 中的应用图5.2在线式小机常用PFC 拓扑——Vienna BOOST 图5.3在线式小机常用DC-DC 拓扑——PUSH-PULLO/P.LO/P.N图5.1在线式大机常用整机拓扑——BOOST+3LEVEL BRIDGE -BUS××120VDC Q1Q2NPNPBus+P以上四个主要拓扑所用的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）的叠加。

EMI 共模电感为一种特殊结构的电感，其一般串在市电输入或UPS 输出端，输入零火线同时绕入并且圈数相等。

当流经电感的零火线的电流之和为零时（差模电流），电感由于磁通抵消的原因不表现出感性（此时与导线无异），当流经电感的零火线的电流不为零时（共模电流），电感表现出感性以抑制共模干扰信号。

图5.4在线式大机常用CHGR 拓扑——BUCK图5.5常用三相输入EMI 滤波器电路RN TSRSTN5 电感设计的原则5.1 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）。

HB ∆∆ΔBΔHH dc饱和曲线工作曲线加气隙后磁滞曲线变化图6.1磁芯在直流工作点下的磁滞回线图6.2磁芯加气隙对磁滞回线的影响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。