新颖功率电感器设计，用于紧凑型大电流 DC／DC 转换器

电感器是 DC/DC 转换器中的关键组件，因为它能够抑制 AC 纹波电流，从而在输出中提供平滑的 DC 电流。一代的电子设备非常紧凑，并且具有越来越先进的功能。它们通常由电池供电，需要高能效，从基本组件开始，例如 DC/DC 转换器中的电感器。由于电感器的效率严格取决于磁芯和绕组损耗，因此它应吸收纹波电流，同时将损耗降至。本文将介绍一种新颖的功率电感器设计，用于紧凑型大电流 DC/DC 转换器，即使在高频下也适用。该电感器基于铁 (Fe) 基合金粉末，与传统的铁氧体电感器相比，具有更高的效率和更小的尺寸，表现出卓越的性能。阅读原文在这里。

性能与尺寸

今天，工程师需要设计更小的电源，以提高为 FPGA 和 GPU 等 IC 供电的效率，这些 IC 以较低的电压和较大的电流着称。1,2减小的体积不仅提升了用户体验，而且还降低了制造和交付费用。为了实现更高的功率密度，常见的做法是提高开关频率，3这也有助于减小电感器和电容器的尺寸。4,5然而，以更高的频率运行会影响整体效率和热管理。因此，功率电感器应该能够在大电流下以的功率损耗工作。

市场上的功率电感器主要有两种类型：铁氧体和金属复合材料。由于其高磁导率，线绕铁氧体是高电感应用的理想选择。然而，其较小的饱和磁通密度限制了功率电感器尺寸的减小，并涉及热管理问题。另一方面，金属复合型电感器提供更高的饱和磁通密度，通常由合金粉末和有机粘合剂制成，线圈模压在内部。然而，在较高温度下，由于存在有机树脂，性能会下降，同时功率损耗会高于铁氧体电感器。

新颖的电感设计

新型电感采用名为NPA-F的铁基合金粉末作为磁性材料，具有低损耗和高饱和的特点。该材料使用气体雾化法制成球形。即使在高频下也能确保低涡流损耗，并防止绝缘层开裂。

NPA-F 的静态磁化曲线（如图 1 所示）展示了这种材料的饱和磁化强度如何也适用于处理大电流。此外，合金粉末材料的导热系数是铁氧体的10倍，这意味着它们更容易散热。

图 1：NPA-F 的静态磁化曲线

新型电感器的基本结构如图2所示。磁芯由金属合金粉末NPA-F组成，包裹在嵌入式单匝铜绕组中。整体尺寸非常紧凑 (11 × 7 × 6.5 mm)，而 100 kHz 时的电感约为 173 nH，直流电阻为 0.17 mΩ。

因为它具有相对较高的磁导率，所以只需要一个单匝绕组即可提供所需的电感。此外，该结构在绕组和磁性材料之间没有留下间隙，增加了热导率并减轻了磁通泄漏问题。

电感的基本结构。

图 2：电感的基本结构

试验台

为了评估电感器的性能，我们使用了一个现成的 DC/DC 转换器评估板（包括几个 Texas Instruments TPS546D24A 器件）作为测试台。TPS546D24A 是一款高效 40A 降压转换器，提供从 225kHz 到 1.5MHz 的 12 个可选开关频率。该评估板可产生 0.8V 稳压输出电压，电流为 80A。

该评估板上安装了两个商用屏蔽功率电感器（Coilcraft 的 SLC1480-151MLD）。图 3 显示了原始电感器与建议电感器之间的比较。SLC1480-151MLD 具有铁氧体磁芯，整体尺寸为 12.95 × 13.46 × 8 mm，100 kHz 时的电感为 150 nH，直流电阻为 0.15 mΩ。由于铁氧体的高磁导率，需要0.5mm的气隙来延迟磁通饱和。从图 3 可以看出，金属电感的体积和重量分别仅为铁氧体电感的 43.9% 和 64.6%，这是减小转换器尺寸的关键因素。

测得的电感与频率的关系如图 4 所示，是通过使用 LCR 表测试两种类型的电感器获得的。金属电感器的特性一直增加到 500 kHz，因此与 100 kHz 的铁氧体电感器相比具有更高的电感。两个电感都在 2 MHz 以上迅速下降。

图 4：测得的电感与频率的关系

图 5 显示了在 1 MHz 时测得的电感与负载电流的关系。由于 0.5 毫米气隙的影响，铁氧体电感器的电感在高达 80 A 时几乎保持恒定。在这个饱和点之后，它下降迅速。如果发生意外的电流浪涌，这可能是一个问题。金属电感不会发生这种情况，因为 NPA-F 的饱和磁通密度几乎是铁氧体的 3 倍。

在 1 MHz 时测得的电感与负载电流的关系。

图 5：1 MHz 时测得的电感与负载电流的关系

转换器效率初在带有两个 SLC1480-151MLD 电感器的原始评估板上进行了测试，然后替换为两个建议的电感器。

结果表明，一般而言，金属电感器提供更好的性能。在 500 kHz 时，从 10 A 到 80 A 的整个负载范围内的效率都得到提高。此外，金属电感器的平均温升比铁氧体电感器低 4K。在更高的频率下，金属电感器仍能实现更高的效率，在 900 kHz 时提高了约 0.7%，在 1.5 MHz 时提高了 0.5%。

测试结果还表明，NPA-F 磁芯引起的功率损耗具有竞争力，所提出的电感器可以在高频下高效运行，有助于减轻重量和尺寸，并提供出色的热管理。

出处：powerelectronicsnews