电感元件设计标准规范统一标准.doc
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1、1电磁学基本概念及公式21.1基本概念21.2基本公式22磁元件基本特性32.1磁滞效应(Hysteresis Effect):32.2霍尔效应(Hall Effect):32.3临近效应(Proximity Effect)32.4磁材料饱和42.5磁芯损耗43电感磁芯分类及特点53.1磁芯材料分类及其特点53.1.1铁氧体(Ferrite)53.1.2硅钢片(Silicon Steel)63.1.3铁镍合金(又称坡莫合金或MPP)63.1.4铁粉芯(Iron Powder)63.1.5铁硅铝粉芯(又称Sendust或Kool Mu)63.2磁芯外形分类:63.3电感构造构成73.3.1环型电
2、感73.3.2EE型电感/变压器83.4电感重要类型:83.5电感磁芯重要参数阐明94电感在UPS中应用95电感设计原则125.1原则一:电感不饱和(感值下降不超过合理范畴)125.2原则二:电感损耗导致温升在容许范畴内(考虑使用寿命)155.3原则三:电感工艺规定可以达到176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,以表达,单位韦伯(
3、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=103/4 A/m。4) 磁导率:磁通密度与磁场强度之比,以表达,实际使用中普通指相对于真空磁导率,真空中磁导率0 =410-7 H/m。5) 磁体:磁导率远不不大于0 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
4、。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 R洛伦兹定律 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 磁导率电阻率 磁通I电流F磁通势电动势磁路电路表2.1 磁滞曲线图2 磁元件基本特性2.1
5、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
6、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
7、容易,成本低,电阻率高,高频损耗较小。缺陷:饱和磁通较低(40005000高斯) ,居里温度点较低。多适于10K500KHz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,C
8、T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3090%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
9、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 COREDR CORETOROID CORE图4.1 磁芯外形图上图磁芯组合便
10、可形成完整Core。惯用Core外形有:EE、EI、ETD、DR、TOROID3.3 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 TapeTapeBobbin 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
11、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:AwAeAeAw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 BRID
12、GEPFC电感图5.2在线式小机惯用PFC拓扑Vienna BOOSTDC-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
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