摘要：介紹了電感的設(shè)計(jì)過程和方法，并列舉了一個(gè)大功率電感的設(shè)計(jì)方法，通過理論和實(shí)際的結(jié)合完成了設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：電感；設(shè)計(jì)；方式

0 引言
   磁性元件與其它電氣元件不同，使用者很難采購(gòu)到符合自己要求的電感。相反，具體設(shè)計(jì)一個(gè)磁性元件可以綜合考慮成本、體積、重量和制造的困難程度，可以獲得一個(gè)較滿意的結(jié)果。設(shè)計(jì)一個(gè)電感首先要選擇磁芯材料和形狀，然后確定磁芯體積大小，然后再計(jì)算線圈的匝數(shù)和線圈截面積，接著再估算氣隙長(zhǎng)度，*后根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整設(shè)計(jì)。

1 磁性材料的選擇
   在選用磁性材料時(shí)，考慮的因素是工作開關(guān)頻率、磁通密度、磁導(dǎo)率、損耗大小、工作環(huán)境及材料的價(jià)格。如果開關(guān)頻率較低，可以考慮選擇硅鋼帶和鐵鎳合金。硅鋼帶具有高的飽和磁通密度，而且價(jià)格低廉，是低頻場(chǎng)合運(yùn)用*為廣泛的磁性材料，它的磁芯損耗取決于帶的厚度和硅的含量，硅含量越高，電阻率越大，則損耗越小；鐵鎳合金具有極高的磁導(dǎo)率，極低的矯頑磁力，但是其電阻率比較低，只能用在低頻場(chǎng)合，同時(shí)價(jià)格也比較高，通常用在工作環(huán)境溫度高，體積要求嚴(yán)格的**產(chǎn)品中。如果開關(guān)頻率較高，可以考慮使用鐵氧體和非晶態(tài)合金。鐵氧體*高頻率可以達(dá)到1MHz，而且電阻率高，高頻損耗小，但是其飽和磁感應(yīng)比較低，而且受溫度影響大，在常溫(25℃)的0.42T到100℃時(shí)的0.34T。鐵氧體目前有多種材料和磁芯規(guī)格，而且價(jià)格比其它材料低，是目前開關(guān)電源中應(yīng)用*為廣泛的材料。非晶態(tài)合金適用于幾十到幾百kHz的工作頻率，比鐵氧體有更高的飽和磁感應(yīng)和相對(duì)較高的損耗和溫度穩(wěn)定性，但是價(jià)格比較昂貴，而且磁芯的規(guī)格也不完善，適用于大功率或者耐受高溫和沖擊的**場(chǎng)合。

2 磁芯形狀
   目前磁芯有罐型、PM、RM、PQ、EE、EC、EP、ETD、RC、UU、和UI各種型號(hào)，以及新發(fā)展的平面磁芯，如EFD、EPC、LP型等磁芯。
   罐型和PQ型磁芯有較小的窗口面積，減小了EMI傳播，用于EMC要求嚴(yán)格的場(chǎng)合。但是其窗口寬度不是很大，只能用于125W以下的低功率場(chǎng)合。大功率應(yīng)用散熱困難。因?yàn)橐鼍€缺口小，大電流出線困難，也不適用于高壓場(chǎng)合，因?yàn)槌鼍€的**絕緣處理困難。
   EE、EC、ETD、LP磁芯都是E型磁芯，有較大的窗口面積，窗口寬而且高度低，漏磁及線圈層數(shù)少，高頻交流電阻小。開放式的窗口沒有出線問題，線圈與外界空氣接觸面大，有利于空氣流通，散熱方便，可以處理大功率，但電磁干擾大。
   EC、ETD磁芯的中柱圓形截面與EE型相同矩形截面積時(shí)，圓形截面每匝線罔比矩形短大約11％，即電阻少11％，線圈的損耗和溫升也相應(yīng)降低，但是沒有EE型磁芯的尺寸齊全，不能像EE型磁芯一樣合并使用。
   RM和PM磁芯比罐型有更大的出線窗口和好的散熱條件，所以，可以傳送更大的功率。RM磁芯有兩種結(jié)構(gòu)，有中心孔和沒中心孔。在有些諧振電路中要求準(zhǔn)確的調(diào)諧，使用帶有中心孔的磁芯，在中心孔插入磁棒調(diào)節(jié)電感量，調(diào)節(jié)范圍可以到達(dá)30％。但在功率磁芯中不采用，因?yàn)榇虐魮p耗大。
   PQ型具有*佳的體積與輻射表面和線圈窗口面積比。因磁芯損耗正比于磁芯體積，而散熱能力正比于輻射表面，該形狀磁芯在給定輸出功率下面有*小的溫升，因此，在給定輸出功率下體積*小。
   LP、EFD、EPC型磁芯主要為平面變壓器設(shè)計(jì)的。中柱長(zhǎng)，漏感*小。但是，囚為體積小，磁通密度和磁場(chǎng)變化處處都是重要的區(qū)域，計(jì)算相當(dāng)困難。
    UU型和UI型主要用在高壓和大功率的水平，很少用在lkW以下。他們比EE型有更大的窗口，可以用更粗的導(dǎo)線和更多的匝數(shù)。但磁路長(zhǎng)度大，比EE型有更大的漏感。
   對(duì)于環(huán)型磁芯，線圈均勻分布在整個(gè)磁芯上，雜散磁通和EMI擴(kuò)散都很小，但是大功率繞線困難。

3磁芯尺寸
   在磁芯材料和磁芯形狀確定了以后，下一步工作就是估算磁芯尺寸。當(dāng)功率比較小時(shí)，比較通用的方法是面積乘積法，它是磁芯截面積和線圈有效窗口面積的乘積。
3.1 損耗不嚴(yán)重
    當(dāng)損耗不嚴(yán)重，經(jīng)驗(yàn)公式如式(1)所列。

   
式中：AW為窗口面積；
    Ae為磁芯截面積；
    IF1為滿載電流有效值；
    Ip為*大峰值電流；
    Bmax為磁芯的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。
3.2 損耗嚴(yán)重
    損耗嚴(yán)重時(shí)，經(jīng)驗(yàn)公式如式(2)所列。

   
式中：△Rmax為*大磁通密度擺幅；
    K1及K2系數(shù)的取值如表l所列。

   這種方法計(jì)算出來的尺寸不是很準(zhǔn)確，但是可以減少迭代的次數(shù)。在大功率條件下，上面公式不建議采用，應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇磁芯尺寸，然后根據(jù)磁芯尺寸算出匝數(shù)、氣隙等各種參數(shù)，*后再校驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性。

4線圈匝數(shù)的計(jì)算
    由安培環(huán)路定律，可得

   
式中：Hδ為氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度；
    δ為氣隙長(zhǎng)度；
    Ho為磁芯磁場(chǎng)強(qiáng)度；
    Lo為磁芯磁路長(zhǎng)度。
    由于空氣的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)低于磁芯的磁導(dǎo)率，所以，式(3)可以近似成為

    式(6)就為線圈匝數(shù)估算公式，其中電流取電感的*大峰值電流Ip。

5 氣隙估算
   高磁導(dǎo)率磁芯材料只能儲(chǔ)存很少的能量，而電感是一個(gè)儲(chǔ)能裝置，為了有效地儲(chǔ)存能量和把能量返回到電路中去，由氣隙儲(chǔ)能的關(guān)系，可得

   
   可知，在磁芯不飽和的情況下，磁導(dǎo)率不能太高，也不能太小，因此，可以在高磁導(dǎo)率的磁芯中串聯(lián)一個(gè)非磁氣隙，用來調(diào)整有效磁導(dǎo)率。加了非磁氣隙之后，由于氣隙的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于磁芯的磁導(dǎo)率，因此，大部分能量就儲(chǔ)存在氣隙當(dāng)中，這樣我們就可以根據(jù)能量守恒近似地估算出氣隙的大小，具體公式如式(8)所列。

   
   把L、Ip、μo、Bmax代入式(8)求出V，然后根據(jù)磁芯所開氣隙的截面積就可以近似地算出氣隙大小。

6計(jì)算導(dǎo)體尺寸
6.1 集膚效應(yīng)
   導(dǎo)線通過交變電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生集膚效應(yīng)，即導(dǎo)線橫截面的電流分布不均勻，內(nèi)部電流密度小，表面電流密度大，使導(dǎo)線的有效截面積減少，其有效截面積的減少可以用穿透深度△來表示，△的意義如下，從表面到電流密度下降到表面電流密度的O.368的厚度為穿透深度△，即認(rèn)為表面下降深度為△的厚度導(dǎo)體流過導(dǎo)線的全部電流，而在△層以內(nèi)的導(dǎo)體完全不流過電流，△與頻率ω和導(dǎo)線物理性能的關(guān)系為

   
式中：μo為導(dǎo)線材料的磁導(dǎo)率：
    為材料的電導(dǎo)率；

    K為材料電導(dǎo)率溫度系數(shù)；
    T為導(dǎo)線溫度。
    所以在選擇繞組的導(dǎo)線線徑時(shí)，應(yīng)使線徑小于兩倍穿透深度。
6.2 電流密度
   在大功率條件下，電流密度的選擇一般在2.5～3A/mm2，在自然冷卻條件下，一般選取電流密度在4~6.5A/mm2；在模塊電源中，磁器件有良好的散熱條件，一般電流密度到達(dá)8A/mm2，甚至可以到達(dá)10/mm2。電流密度選擇高，導(dǎo)線的截面積小，相同窗口繞更多的導(dǎo)線，且是導(dǎo)線電阻大，銅損也大。當(dāng)計(jì)算得到的線徑大于穿透深度決定的*大線徑時(shí)，可以采用多股導(dǎo)線并繞或者采用銅帶，使厚度小于兩倍穿透深度。