直流濾波電感設(shè)計

1、電感設(shè)計開關(guān)電源中的直流輸出濾波電感或能量傳遞電感開關(guān)電源中的直流輸出濾波電感或能量傳遞電感一般是在帶氣隙的鐵芯上繞線圈構(gòu)成的，設(shè)計電一般是在帶氣隙的鐵芯上繞線圈構(gòu)成的，設(shè)計電感的任務(wù)就是在滿足給定性能指標(biāo)的情況下，確感的任務(wù)就是在滿足給定性能指標(biāo)的情況下，確定最好的鐵芯結(jié)構(gòu)、最小的幾何尺寸、恰當(dāng)?shù)睦@定最好的鐵芯結(jié)構(gòu)、最小的幾何尺寸、恰當(dāng)?shù)睦@組匝數(shù)、導(dǎo)線截面積和氣隙長度等。組匝數(shù)、導(dǎo)線截面積和氣隙長度等。限制參數(shù)（1）直流平均電流（2）紋波電流（3）直流銅耗確保電感器流過峰值電流時不飽和工作頻率決定磁芯工作頻率決定磁芯最大磁密和最大磁通擺幅最大磁密和最大磁通擺幅粗選磁芯形狀和尺寸粗選磁芯形狀和

2、尺寸決定損耗限制決定損耗限制計算匝數(shù)計算匝數(shù)計算氣隙長度計算氣隙長度計算導(dǎo)體尺寸和線圈電阻計算導(dǎo)體尺寸和線圈電阻計算線圈損耗，總損耗和溫升計算線圈損耗，總損耗和溫升電感設(shè)計步驟根據(jù)拓?fù)錄Q定電路設(shè)計參數(shù)1、電感量L由紋波決定；2、滿載直流電感電流的平均值決定磁芯的直流工作點；3、最大紋波電流的要求就是電感量的要求；4、最大峰值短路限制電流ISP，限制了最大磁密；5、最大允許損耗和溫升就是損耗計算，主要是直流損耗，交流損耗較小。電感設(shè)計前的知識準(zhǔn)備磁環(huán)：Toroid core鐵粉芯材料，顏色表示不同的牌號硅鋼silicon steel適合做電感的磁芯鐵氧體 ferrite鐵粉芯 iron powd

3、er鐵硅鋁FeSiAl Kool Mu，sendust高通磁粉芯High FluxMPP鐵鎳鉬磁粉芯坡莫合金permalloy非晶合金amorphous磁粉芯開氣隙的磁芯電感不同于變壓器，要儲存能量，開氣隙和用磁粉芯的目的就是可以儲存足夠的能量。+Li (t)LiLt/s0i(t)DTsTsIp/AcRcRu(t)i（t）lc20cALN拓?fù)錄Q定參數(shù)工作頻率決定磁芯材料最大磁密最大磁通擺幅粗選磁芯形狀和尺寸決定損耗限制由電感量計算匝數(shù)計算氣隙長度計算導(dǎo)體尺寸和線圈電阻計算線圈損耗，總損耗和溫升設(shè)計流程圖【例題1】電流連續(xù)輸出濾波電感設(shè)計（1）設(shè)計參數(shù)：5V/50A正激變換器的輸出濾波電感。濾波

4、電感電壓范圍：13.35-25.33V輸出：5V滿載電流I0：50A電路拓?fù)洌赫ぷ儞Q器開關(guān)頻率f:200kHz最大占空度：0.405（Uimin）電感量L=2.2微亨最大損耗：2.5W最大溫升：40冷卻方式：自然對流最小占空度：0.213（Uimax）最大紋波電流：50*20%=10A最大峰值電流ISP=65A（2）應(yīng)用制造廠手冊選擇磁芯材料磁芯材料：如：鐵氧體3C90國內(nèi)外生產(chǎn)磁性元件的廠家PHILIPSTDKSONY南京精研磁性科技有限公司浙江海寧天通公司SIMENS南京898廠金寧無線電器材廠MICROMENTALSMAGNETICSPHILIPS 鐵氧體3C90 MnZn鐵氧體材料特

5、性典型B/H曲線初始磁導(dǎo)率隨溫度變化曲線幅值磁導(dǎo)率隨峰值磁密變化曲線ppaHB01)0(10HHBi（直流）HHB01影響因素:直流磁場的大小,磁心的幾何尺寸、形狀、溫度。（3）決定磁芯最大磁通密度和最大磁通擺幅Bmax=3000Gs=0.3T最大磁通幅度取短路時峰值電流限制最大磁通密度maxmaxmaxmax100.30.046( )65pIBBTI最大磁通擺幅最大電流紋波10A最大峰峰值磁通擺幅對應(yīng)于最大紋波電流100C功率比損耗隨峰值磁密和頻率的變化曲線不同頻率和峰值磁密比損耗隨溫度變化曲線忽略二極管D1和D2的導(dǎo)通壓降。TonU - U02-U0-ULTofToniL-ULToftt0

6、0電感L上的波形主變壓器紋波頻率為200KHz磁芯損耗近似4mW/cm3遠(yuǎn)小于100mW/cm3磁芯工作在Ipmax時磁通接近飽和。最大磁通擺幅max0.046BT(4)選磁芯形狀和尺寸64max12.2 1065 500.74()0.3 0.03SPFLLIIAPcmBK單線圈電感K1=0.03滿載電流50A峰值電流65AL=2.2微亨下面對系數(shù)K1做解釋K1W初級銅面積/窗口面積K1假定線圈損耗比磁芯損耗大得多，自然通風(fēng)冷卻下，電流密度取420A/cm2時的經(jīng)驗值。K2假定線圈損耗和磁芯損耗相等，電流密度為292A/cm2,則K2=0.707K1。412max1,10WK Kjk線圈窗口利

7、用率自然冷卻經(jīng)驗值K1線圈損耗等于磁芯損耗210.707KK損耗不嚴(yán)重時43Sp4FLWmax1()cLIIAPA AcmBKIsp最大峰值短路電流IFL初級滿載電流有效值K1假定線圈損耗比磁芯損耗大得多，自然通風(fēng)冷卻下，電流密度取420A/cm2時的經(jīng)驗值。磁芯損耗嚴(yán)重時，損耗限制的磁通擺幅，面積乘積公式為434FLWmax2(cm )cIL IAPA ABK初級電流變化量最大磁通密度擺幅公式中的4/3次方說明：磁芯尺寸增加，磁芯和線圈（產(chǎn)生損耗）體積增加大于表面積（散熱）的增加。因此磁芯體積大的功率密度降低。選擇磁芯查表得到磁芯參數(shù)40.74ewAPA Acm計算需要值查表值40.971

8、1.231.2ewAPA Acm磁芯尺寸帶骨架的窗口數(shù)據(jù)AW=1.23cm2bW=2.10cmhW=0.60cmlaw=6.10cm窗口寬度窗口高度平均匝長骨架型號：CPH-ETD34-1S-14P骨架材料:PBT阻燃加固引腳數(shù)：14最高工作溫度155度繞組截面積123/mm2繞組最小寬度20.9/mm平均匝長60/mm(5)決定熱阻RT和允許損耗磁芯損耗線圈損耗損耗熱阻最大允許溫升決定損耗lim/40/202.0W2.5WthPT R 磁芯比損耗34mW/cmp 20/thRK W磁芯損耗334mW/cm7.64cm30mWcePp V磁芯比損耗34mW/cmp 線圈損耗可以大于2WBmax

9、=3000Gs=30mT允許總損耗是2.5W（6）計算保證電感量所需要的匝數(shù)22maxmax2.2 1010104.9350.046 0.97eL INBA取5匝尺寸-cmL-微亨需要說明的是：電路中的濾波電感的電感量是由電感上的電壓、電流脈動，電路的頻率、電容大小、紋波要求等確定的。2240110ecpANLD2610 (H)LLN A1000匝線圈等效電感uHETD磁芯是圓形端面端面中柱直徑（7）根據(jù)所需的電感量計算氣隙長度24010gANL222010 (H)N ALN G校正氣隙后的截面積cm2邊緣修正后的有效截面積矩形端面長度單位cm24e0cp7241100.9741051100.

10、194cm2.21.11ANLD0.2cm將得到數(shù)據(jù)再代入上式進行校驗，直到誤差小于10%。ETD34的氣隙截面是圓形截面，用下面的公式計算，并設(shè)（8）計算導(dǎo)體尺寸、線圈電阻、損耗和溫升bW=20.9mmhW=（25.4-13.4）/2=6mm窗口寬度窗口高度50A/450=0.111cm2導(dǎo)體截面積導(dǎo)體厚度0.111/2.09=0.0555cm層間絕緣0.005cm線圈高度0.0555 50.005 50.3cm hW=0.60cm骨架高度沒有充分利用線圈匝數(shù)N =5電流密度450A/cm2為減少損耗導(dǎo)體厚度0.1cm線圈總高度0.525cm導(dǎo)體截面積0.2cm2平均匝長6.1cm線圈總長6

11、.15=30.5cm630.52.3 100.35(m)0.2dclRA線圈電阻直流損耗23dc500.35 100.89WP計算線圈的交流損耗在頻率200kHz時的穿透深度7.60.017cm200000 /0.1/0.0175.96Qd 有效面積減少倍數(shù)導(dǎo)體厚度d =0.1cmp=5層/100acdcRR1000.00035 1000.035acdcRR三角波交流電流分量有效值/ 1210/ 122.9AII 交流損耗為22ac2.90.0350.29WPI R線圈總損耗0.890.291.18WWP (9)總損耗為1.18+0.03=1.21W，遠(yuǎn)小于2.1W。滿載時按損耗計算線圈的電流

12、密度為250A/cm2ETD34磁芯的面積乘積比計算值大了65%。可以選用更小一號磁芯。選ETD29試試。【例題2】磁粉芯電感設(shè)計舉例設(shè)計一個磁粉芯電感，用于BUCK變換器輸出濾波電感。為計算簡單起見設(shè)輸入電壓為15伏，輸出為5V/2A，工作頻率250kHz。電感量為35微亨，電流從0變化到2A，允許磁芯磁通變化不超過20%，即電感量變化不超過20%，絕對損耗為300mW，自然冷卻，溫升40C。5/150.33D /(155)(0.33 4s)/35H=0.377AIU t L (1)計算電感量35/0.844HL臨占空比紋波電流峰峰值磁芯損耗和線圈損耗各占一半150mW臨界連續(xù)電感量為（2）

13、選擇磁芯材質(zhì)工作頻率為250kHz，選擇MPP磁粉芯材料，因為MPP材料的損耗低。還應(yīng)注意磁導(dǎo)率隨直流偏置加大而下降。（3）粗選磁芯尺寸選擇Magnetics公司的MPP磁芯2235 20.14mJWLI2倍儲能：77：鐵硅鋁55：MPP磁芯58：高通22235 20.14mHAWLI磁芯初始磁導(dǎo)率為300微亨，可選擇55045-A2牌號的磁芯，參數(shù)如下：6L134(1 8%)mH/10A L/44/0.134/0.9218.9NL A22L19134 0.9244.5HLN A1000匝電感系數(shù)匝數(shù)匝數(shù)取整需核算電感取19匝電感系數(shù)8%的誤差3.12cml 0.40.4 19 215.3Oe

14、3.12NIHl300 15.34590GsBH（4）計算磁通密度平均磁路長度CGS制的磁場強度磁通密度1 /0.4A cmOe單位換算由于直流濾波電感工作時有直流偏磁，這個直流偏磁會是磁芯的磁導(dǎo)率下降，用實際磁導(dǎo)率與初始磁導(dǎo)率的比值為縱坐標(biāo)，橫坐標(biāo)為直流偏磁奧斯特Oe。（5）計算電感的變化量15.3OeH 直流偏置直流偏置H Hdcdc/(/(Oe）, ,1Oe0.796A/cm67%2A時電感量下降到如果想要增加電感量，需要增加匝數(shù)，但增加匝數(shù)會增加磁通密度，更增加電感量的變化，換一個更低磁導(dǎo)率的磁芯試驗。44.567%29.8H0.40.4 19 215.3Oe3.12NIHlr125L

15、56(1 8)%mHA L/44/0.056/0.92=29.2NL A（6）第二次試算牌號55050-A2取29匝0.4 29 223.4Oe3.12H220.9285%56 0.92 2985%36.83HLLAN（7）再次計算磁通密度、磁導(dǎo)率變化量和匝數(shù)0.8523.4 125 0.852486GsBH校驗實際電感量磁通密度直流偏磁影響計算電感的變化量23.4OeH 直流偏置（直流偏置（Oe）1Oe0.796A/cm85%（8）選擇導(dǎo)線線圈的窗口面積0.383cm2，取充填系數(shù)為50%。2wCu/20.383/20.0066cm /29AAtN2匝=0.66mm電流密度選4A/mm2，2

16、A只需要0.5mm2,小于0.66mm2磁芯初始磁導(dǎo)率為300微亨，可選擇55045-A2牌號的磁芯，參數(shù)如下：選擇磁環(huán)選擇磁環(huán)TN12.5/5TN12.5/5，內(nèi)徑為，內(nèi)徑為7.62mm，外徑為，外徑為12.12.7 7mmmm，高問，高問4.754.75mm。1()(70.92)20.750.92ddNd2(2 )(7 1.84)17.60.92ddNd繞2層，加起來可超過29匝，滿足要求。（9）計算電阻2dc( /)(/ )2.06 1029 0.032419.4mRl NNl 選擇平均匝長為2.06cm/4.77Qh 7.6/=7.6/ 2500.152mmf 集膚深度有效厚度有效厚度

17、0.83/0.725mmhd d dR15F ac15 19.4291mRdcRFR查DOWELL曲線/4.77Qh (10)功率損耗o(1)5 (1 0.33) 40.368A36.4UD TIL 電流紋波的峰峰值ac0.4/0.4 29 0.368/3.124.3OeHNI lpac125 85% 4.3457GsBH交流磁場強度磁感應(yīng)峰值23.4OeH 直流偏置（直流偏置（Oe）1Oe0.796A/cm85%2A的直流偏磁使磁導(dǎo)率下降85%2.311.42.311.431.1991.199 0.475250447mW/cmpBf需要注意的是BUCK變換器中的電感里的電流是三角波，不是正弦

18、波，而廠家提供的曲線是正諧波下獲得。以實驗測試為基礎(chǔ)進行一些近似估算，提供一些經(jīng)驗公式。r1250.457kGsB Magnetics磁芯250kHzf 3e0.356cmV 單位體積損耗表達式磁芯損耗ce447 0.356159.1mWPp V2wdcdcdc22 0.019477.6mW(20 C)PI R ac0.2890.289 0.3680.106AII 2wacacac0.1062 2913.3mWPI R 求總線圈損耗直流損耗交流損耗磁芯和線圈總損耗：240mW磁芯損耗大于線圈損耗（11）溫升計算2s8.1cmA 0.8330.833o24016.8 C8.1sPTA預(yù)計溫升由于

19、環(huán)境溫度為20C，線圈電阻溫度為36.8C,如果環(huán)境溫度為40C，則線圈溫度為56.8C,需要重新計算銅線的直流電阻。0.8330.833o25517.7 C8.1sPTA36.81.00391.2o0.39%/ C銅的電阻溫度系數(shù)為w1.2 8096mWP 線圈電阻損耗重新計算溫升電感計算后的產(chǎn)品貌似簡單，但涉及的理論知識很多：主要有電路理論、磁芯結(jié)構(gòu)尺寸、絕緣等級、溫升等。其中導(dǎo)線的電阻、磁芯的參數(shù)會隨環(huán)境溫度而變化，溫度及溫升與電感所處的環(huán)境、工作狀態(tài)密切相關(guān)互相制約著，使得計算十分復(fù)雜。即使是計算好的電感永遠(yuǎn)是個近似值。沒有更好，只有最好?！纠}3】設(shè)計一個正激交錯變換器輸出濾波電感（

20、1）設(shè)計參數(shù)電感輸入電壓i82VU 輸出電壓o=55VU=192kHzf工作頻率o28AI 輸出電流限流電流olim31AI5.6AI 紋波電流0.667D 占空度lim0.9D極限占空度=24HL電感量I=5.6AD=0.667T=5.2siL（2）選擇磁芯材料和尺寸磁芯材料選鐵氧體3F3100C的飽和磁感應(yīng)密度為0.33T。m=0.31TB選最大磁通mpmax5.60.310.056T31IBBI過流時的最大磁感應(yīng)密度：第一象限工作磁密選為0.028T磁芯損耗可以忽略，磁芯由AP法選擇， 主要限制是飽和磁密限制。44 336sp4om124 1031 282.93cm0.31 0.03LI

21、IAPBK選擇E42C磁芯。主要參數(shù)如下：磁芯的AP值42.37 2.676.3cmAP 需要的42.93cmAP 滿足要求（3）計算匝數(shù)64e24 105.610.30.056 2.33 10L INBA 取10匝（4）計算氣隙長度預(yù)設(shè)一個氣隙長度，進行計算，再復(fù)核計算數(shù)據(jù)進行迭代，若干次后就接近目標(biāo)值。1.5mm誤差只有2%，可以滿足要求。2432e02.330.150.1511104 101011=1.47mm241.222ANLab電感單位為微亨，長度單位為cm（5）計算導(dǎo)線尺寸對于電感中電流連續(xù)的磁芯，主要損耗在線圈。但由于工作頻率高，線圈匝數(shù)較少，可以選用的電流密度可以相對高些。2

22、8A/mmj 2Cu/28/83.5mmAIj導(dǎo)線規(guī)格尺寸2dcav4.44 8.0 10 103.552mRRl N直流電阻37.67.60.017cm0.17mm192 10f 集膚深度0.83/0.83 2.242.24/ 2.3610.650.17dd dQ192kHzf 導(dǎo)體的有效厚度與集膚深度的比值Qd d0.83/10dd dQR10F acdc35.52mRRF RI=5.6AD=0.667T=5.2siL1/125.6 0.2891.62AII 電感電流為三角波，有效值為：（6）線圈結(jié)構(gòu)導(dǎo)線帶漆皮直徑為2.36mm10匝導(dǎo)線的寬度為2.36cmE42C磁芯骨架的窗口寬度為2.

23、96cm繞成單層，散熱效果好。223dcdc283.552 102.784WPI R（7）導(dǎo)線損耗與溫升直流電阻損耗223acac1.6235.6 100.093WPI Rdcac2.7840.0932.877WPPP交流損耗線圈總損耗磁芯熱阻2othw36/(cm )36/2.5614.1 C/WRAoth2.877 14.140.5 CTPR線圈溫升前述計算都按20C時的電阻率計算電阻的，考慮到環(huán)境溫度，實際電阻溫度要高些，電阻值也高些。設(shè)環(huán)境溫度為40C，溫升40.5C，線圈溫度為80.5C。電阻損耗增加，溫度也增加，設(shè)溫度增加到91C,則711.003940.54093TC932073

24、TC73o1.003940.54093.8 CT 迭代計算o7373.620 C(dc)1.00392.784 1.00393.71WPP實際線圈損耗電流連續(xù)模式的其他拓?fù)涞碾姼屑措娏鬟B續(xù)模式的其他拓?fù)涞碾姼屑碆uckBuck、BoostBoost、Buck/BoostBuck/Boost以及推挽、半橋和全橋輸出濾波電感以及推挽、半橋和全橋輸出濾波電感設(shè)計方法相似。連續(xù)模式反激變壓器磁芯損耗雖設(shè)計方法相似。連續(xù)模式反激變壓器磁芯損耗雖然可以不計，但線圈電流是斷續(xù)的，必須計算線然可以不計，但線圈電流是斷續(xù)的，必須計算線圈交流損耗，尤其是多層線圈。為減少鄰近效應(yīng)圈交流損耗，尤其是多層線圈。為減少鄰

25、近效應(yīng)引起的交流電阻增加，初級與次級通常要分段交引起的交流電阻增加，初級與次級通常要分段交替繞制。替繞制。電流斷續(xù)模式直流濾波電感設(shè)計【例題4】設(shè)計一個斷續(xù)模式反激變壓器，反激設(shè)計一個斷續(xù)模式反激變壓器，反激變壓器設(shè)計參數(shù)為變壓器設(shè)計參數(shù)為i100 360VU 輸入電壓輸入電壓輸出電壓與電流短路電流工作頻率極限占空比最大反向恢復(fù)時間6V/5Asp6AI=70kHzflim0.47DR0.47D 50 CT溫升漏感s14%LL【解】（1）決定次級電壓和輸出功率oo0.556.55VUUooo5 6.5532.75WPIU (2)計算次級電感量2iminmaxT1o2UDLfP22oR23o6.55 0.472.1H22 70 1032.75U DLfP推導(dǎo)得電感L2max0.45D設(shè)效率為90%，最大占空比小于極限占空比即?。?）求匝比iminmax12Rmax100 0.450.9013.87146.55 0.4