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常见电感磁环材料种类和特性分析

关键词:电感器 电感线圈 开关转换器

时间:2019-01-16 13:53:38       来源:网络

一、前言

电感器是一种电磁感应组件,用绝缘的导线在绕线支架或铁芯上绕制一定匝数的线圈而成,此线圈称为电感线圈或电感器。根据电磁感应原理,当线圈与磁场有相对运动,或是线圈通过交流电流产生交变磁场时,会产生感应电压来抵抗原磁场变化,而此抑制电流变化的特性就称为电感。

电感值的公式如式(1)

,其与磁导率、绕组匝数N的平方、及等效磁路截面积Ae成正比,而与等效磁路长度le成反比。电感的种类很多,各适用于不同的应用之中;电感量与线圈绕组的形状、大小、绕线方式、匝数、及中间导磁材料的种类等有关。

电感依铁芯形状不同有环型、E型及工字鼓型;依铁芯材质而言,主要有陶瓷芯及两大软磁类,分别是铁氧体及粉末铁芯等。依结构或封装方式不同有绕线式、多层式及冲压式,而绕线式又有非遮蔽式、加磁胶之半遮蔽式及遮蔽式等。

二、电感铁芯种类

用于开关转换器的电感器属于高频磁性组件,中心的铁芯材料最是影响电感器之特性,如阻抗与频率、电感值与频率、或铁芯饱和特性等。以下将介绍几种常见的铁芯材料及其饱和特性之比较,以作为选择功率电感的重要参考:

1. 陶瓷芯

陶瓷芯是常见的电感材料之一,主要是用来提供线圈绕制时所使用的支撑结构,又被称为。因所使用的铁芯为非导磁材料,具有非常低的温度系数,在操作温度范围中电感值非常稳定。然而由于以非导磁材料为介质,电感量非常低,并不是很适合电源转换器的应用。

2. 铁氧体

一般高频电感所用的铁氧体铁芯是含有镍锌或锰锌之铁氧体化合物,属于矫顽磁力低的软磁类铁磁材料。图1为一般磁铁芯之磁滞曲线,磁性材料的矫顽磁力HC亦称为保磁力,系指当磁性材料已磁化到磁饱和后,使其磁化强度减为零时所需的磁场强度。矫顽力较低代表抵抗退磁能力较低,也意味着磁滞损失较小。

 

图1:磁铁芯之磁滞曲线

3. 粉末铁芯

粉末铁芯亦属于软磁类铁磁材料,是由不同材料的铁粉合金或只有铁粉所制成,配方中有颗粒大小不同的非导磁材料,因此饱和曲线较为缓和。粉末铁芯多以环型呈现居多,如图2所示为粉末铁芯及其截面图。 

图2:粉末铁芯

 

4.常见的粉末铁芯种类

A. 铁镍钼合金

铁镍钼合金简称MPP,相对磁导率约14~500,饱和磁通密度约7500 高斯,比铁氧体的饱和磁通密度(约4000~5000 高斯)高出许多。MPP 具有最小的铁损,在粉末铁芯中,温度稳定性最好。当外加直流电流达饱和电流ISAT 时,电感值缓慢降低,不会急剧衰减。MPP 的性能较佳,但成本较高,通常作为电源转换器之功率电感及EMI 滤波之用。

B. 铁硅铝合金 (Sendust)

铁硅铝合金铁芯是由铁、硅、及铝组成之合金铁芯,相对磁导率约26~125。铁损介于铁粉芯与MPP 及铁镍合金之间。饱和磁通密度比MPP 高,约10500 高斯。温度稳定性及饱和电流特性比MPP 及铁镍合金稍微逊色,但较铁粉芯及铁氧体铁芯为佳,相对成本较MPP 及铁镍合金便宜。多应用于EMI 滤波、功因修正(PFC)电路及开关电源转换器之功率电感。

C. 铁镍合金(high flux) 

铁镍合金铁芯是由铁及镍组合而成,相对磁导率约14~200,铁损及温度稳定性均介于MPP 及铁硅铝合金之间。铁镍合金铁芯的饱和磁通密度最高,约15000 高斯,且可耐受直流偏置电流较高,其直流偏置特性也较好。应用范围有功因修正、储能电感、滤波电感、返驰式转换器之高频变压器等。

三.电感电气特性

在设计开关转换器并挑选电感器时,电感值L、阻抗Z、交流电阻ACR 与Q 值、额定电流IDC 与ISAT、以及铁芯损失等等重要的电气特性都必须考虑。此外,电感器的封装结构会影响漏磁大小,进而影响EMI。以下将分别探讨上述之特性,以作为选择电感器之考虑。

1. 电感值

电感器之电感值在电路设计时为最重要的基本参数,但必须看在工作频率下此电感值是否稳定。电感的标称值通常是在没有外加直流偏置的条件下,以100 kHz 或1 MHz 所量得。且为确保大量自动化生产的可能性,电感之容差值(tolerance)通常是 ±20%(M)与±30%(N)居多。图3为利用表量测 电感220M 之电感-频率特性图,如图所示,在5 MHz 之前电感值的曲线较为平坦,电感值几乎可视为常数。在高频段因寄生电容与电感所产生的谐振,电感值会上升,此谐振频率称为自我谐振频率,通常需远高于工作频率。

 

图3:220M 电感-频率特性之量测图

2. 阻抗

如图4,从阻抗图也可以看出电感在不同频率下的表现。电感的阻抗约与频率成正比(Z=2πfL),因此频率愈高,电抗会比交流电阻大很多,所以阻抗表现就如同纯电感(相位为90˚)。而再往高频,由于寄生电容效应,可以看到阻抗的自我谐振频率点,过了此点阻抗下降呈现电容性,且相位逐渐转为-90 ˚。

图4:220M 之阻抗-频率特性

3. 饱和电流

饱和电流ISAT 一般是标注在电感值衰减如10%、30%或40%之情况下的偏置电流。以气隙铁氧体而言,因其饱和电流特性非常急遽,10%与40%相差不大。但如果是铁粉芯(如冲压式电感),饱和曲线比较缓,电感衰减10%或40%的偏置电流相差很多,因此就饱和电流值。

4. 额定电流   

IDC 值为当电感温升为Tr˚C 时的直流偏置。规格书同时标注其在20˚C 的直流电阻值RDC。依铜导线的温度系数

约为3,930 ppm,在Tr 温升时,其电阻值为RDC_Tr = RDC(1+0.00393Tr),其功耗为PCU = I2DCxRDC。此铜损功耗在电感器表面散逸,可计算出电感的热阻ΘTH:

5. 铁芯损失

铁芯损失,简称铁损,主要由涡流损与磁滞损造成。涡流损大小主要是看铁芯材料是否容易「导电」;若导电率高,即电阻率低,涡流损就高,如铁氧体的电阻率高,其涡流损就相对的低。涡流损也与频率有关,频率愈高,涡流损愈大,因此铁芯材料会决定铁芯适当的工作频率。一般而言,铁粉芯的工作频率可到1MHz,而铁氧体的工作频率则可到10MHz。若工作频率超过此频率,则涡流损会快速增加,铁芯温度也会提高。然而,随着铁芯材料日新月异,更高工作频率的铁芯应是指日可待。

另一个铁损是磁滞损,其与磁滞曲线所围之面积成正比,即与电流交流成份的摆动(swing)幅度有关;交流摆幅愈大,磁滞损也愈大。在电感器之等效电路中,常用一个并联于电感的电阻来表示铁损。当频率等于SRF 时,电感抗和电容抗抵消,等效电抗为零,此时电感器之阻抗即等效于此铁损电阻串联绕线电阻,且铁损电阻已远大于绕线电阻,所以在SRF 时的阻抗就约等于铁损电阻。以一低压电感为例,其铁损电阻约在20kΩ 左右,若以电感两端的有效值电压5V 来估算,其铁损约为1.25mW,这也说明了铁损电阻愈大愈好。

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