鐵粉心濾波電感器的設(shè)計(jì)
摘要：
濾波電感(扼流圈)的設(shè)計(jì)，須考慮到直流磁化的影響。鐵粉心的飽和磁通密度高，直流磁化影響較小，費(fèi)用也低，是一種理想材料。介紹三種扼流圈的設(shè)計(jì)方法。
關(guān)鍵詞：直流磁化飽和磁通密度恒磁導(dǎo)
Abstract:Designofchoke,mustconsideringthateffectsfromDCbias.IronpowdercoreshashighRsaturationfluxdensity,lowereffectsfromDCbiasandleastexpense,itistheexcellentchoicefordesignchoke.
Keywords:DCbiasSaturationfluxdensityConstantpermeance
1引言
常見的濾波電感主要有：共模濾波電感、差模濾波電感和整流濾波電感。前兩種電感主要用于各種線路濾波器，工作在交流條件。而后一種用來濾除整流后的交流紋波，使整流后的直流部分更加平直。由于它工作在直流條件，不得不考慮直流磁化對(duì)電感的影響。
以往的電子設(shè)備，例如使用電子管的電子設(shè)備，整流輸出多為高電壓小電流，當(dāng)今采用晶體管和集成電路的電子設(shè)備，則多為低電壓大電流。由于直流磁化力同電流大小成正比，更須注意直流磁化對(duì)電感的影響。這就要求濾波電感必須適應(yīng)于大電流條件。因此，選擇什么樣的材料作磁心。如何設(shè)計(jì)好濾波線圈，減少直流磁化的影響，防止磁芯飽和，不能不成為一個(gè)值得重視的問題。
2關(guān)于恒磁導(dǎo)或恒電感特性
整流濾波電感工作在直流大電流條件，工作電流變化，引起電感值的變化越小越好。就是說要求磁心的直流磁化影響較小，即具有某種恒磁導(dǎo)特性。由于直流磁化的影響，電感趨向于飽和，電感量會(huì)隨著工作電流增加而減小。根據(jù)大家的共識(shí)，所謂恒磁導(dǎo)特性，亦可稱為恒電感特性，是指電感在一定的直流磁化力范圍內(nèi)其電感量不低于初始電感量的一半。掌握了這個(gè)特性，我們可以通過挑選不同的磁心，不同的規(guī)格，以達(dá)到不同的百分比要求。
3磁心材料的選擇
制作濾波電感，選用何種磁心材料，除了必須注意防止磁心飽和問題外，還必須考慮到磁心的恒磁導(dǎo)特性。需要指出，有些設(shè)計(jì)人員往往只注意電感量的指標(biāo)，選擇磁導(dǎo)率高的材料，以減少線圈的匝數(shù)，而對(duì)于電感額定電流較大時(shí)，電感量是否減少，減少到什么程度，會(huì)不會(huì)達(dá)到飽和，考慮較小。這是應(yīng)該注意避免的。
表1列出一些磁心材料的恒磁導(dǎo)特性的比較，供選擇時(shí)參考。表中所說的恒磁導(dǎo)范圍，是指在這個(gè)直流磁化力范圍內(nèi)，磁導(dǎo)率不會(huì)低于50％。減少直流磁化力相應(yīng)提高磁導(dǎo)率的百分比。表2為磁導(dǎo)率75的鐵粉心，在不同直流磁化力時(shí)的磁導(dǎo)率的百分?jǐn)?shù)。
表1一些磁心材料和恒磁導(dǎo)特性的比較
|
材料 |
鐵基非晶磁環(huán)Bs13000GS |
開氣隙鐵基超微晶磁環(huán) |
|||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
μe |
2000 |
1000 |
500 |
180 |
80 |
300 |
180 |
110 |
|
|
恒磁導(dǎo)范圍 |
A/m |
400 |
800 |
1600 |
4000 |
8000 |
2400 |
4000 |
6400 |
|
Oe |
5 |
10 |
20 |
50 |
100 |
30 |
50 |
80 |
|
|
材料 |
鐵鎳鉬粉心磁環(huán)Bs8000GS |
鐵鎳鉬粉心磁環(huán)Bs>10000GS |
|||||||
|
μe |
60 |
125 |
160 |
300 |
22 |
35 |
60 |
75 |
|
|
恒磁導(dǎo)范圍 |
A/m |
8000 |
4000 |
3200 |
1600 |
22400 |
20000 |
5600 |
4000 |
|
Oe |
100 |
50 |
40 |
20 |
280 |
250 |
70 |
50 |
|
表2磁導(dǎo)率75的鐵粉心不同直流磁化力時(shí)的磁導(dǎo)率的百分?jǐn)?shù)＊
|
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
00 |
—— |
100.0 |
99.9 |
99.4 |
98.8 |
98.2 |
97.5 |
96.7 |
95.7 |
94.7 |
|
10 |
93.7 |
92.6 |
91.4 |
90.3 |
89.1 |
87.9 |
86.6 |
85.4 |
84.1 |
82.8 |
|
20 |
81.6 |
80.3 |
79.0 |
77.8 |
76.6 |
75.4 |
74.2 |
73.0 |
71.8 |
70.7 |
|
30 |
69.6 |
68.5 |
67.4 |
66.4 |
65.4 |
64.4 |
63.4 |
62.4 |
61.5 |
60.6 |
|
40 |
59.7 |
58.8 |
58.0 |
57.2 |
56.4 |
55.6 |
54.8 |
54.1 |
53.3 |
52.6 |
|
50 |
52.0 |
51.3 |
50.6 |
50.0 |
49.4 |
48.8 |
48.2 |
47.6 |
47.0 |
46.5 |
H％＊注：縱、橫數(shù)字相加代表直流磁化力H，其交點(diǎn)對(duì)應(yīng)磁導(dǎo)率的百分?jǐn)?shù)
4有關(guān)計(jì)算公式
表3鐵粉心（材料26）特性參數(shù)表
AL（nH/N2）So(mm2)
為了更好地進(jìn)行電感設(shè)計(jì)，滿足恒磁要求，需要熟練掌握一些磁學(xué)公式，并了解一些必要的磁學(xué)知識(shí)。
上面提到的直流磁化力可以通過（1）進(jìn)行計(jì)算：
H=0.4πNI/lOe(1)
或H=NI/lA/cm(1′)
這里N為線圈匝數(shù)；I為電流，單位為安倍（A）；l為磁心的平均磁路長(zhǎng)度，單位為厘米（cm）。將上述公式進(jìn)行一下變換，則有：
H/NI=0.4π/l或H/NI=1/l
對(duì)于一個(gè)環(huán)形磁心(濾波電感不少是采用環(huán)形磁心的),由于
l=[(D＋d)/2]×πcm
其中D為外徑，d為內(nèi)徑，單位厘米（cm）。
因此，H/NI又可由以下方法求得，即
H/NI=0.8/(D＋d)或H/NI=1/(D＋d)0.5π
對(duì)于任何一個(gè)規(guī)格的環(huán)形磁心，都可得到一個(gè)H/NI值，將此值乘以安匝數(shù)，就是直流磁化力，即：
H=(H/NI)NIOe（或A/cm）
由此可以看出，H/NI同l或（D＋d）成反比。尺寸大的磁心H/NI值就小，當(dāng)安匝數(shù)一定時(shí)，選用大尺寸的磁心，H值就小，恒磁導(dǎo)特性就好。亦可以說，在H值確定的條件下，大尺寸的磁心就有較大的安匝數(shù)。
以下再列出幾個(gè)公式：
L=N2AL（nH/N2）nH(2)
N=[L（nH)/AL(nH/N2)]1/2匝（3）
AL=L（nH）/N2nH/N2(4)
W(energy)=LI2/2J或Ws（5）
此公式中L單位為H，I單位為A。
當(dāng)L單位為μH時(shí)，則W為μJ或μWs，將公式（2）代入（6），又可得一關(guān)系式：
W=LI2/2=N2ALI2/2=(NI)2AL/2(6)
此式中，如AL取nH/N2值，則為nJ。為使得出的結(jié)果為μJ，則公式可變成：
W=（NI）2AL/2000μJ（6′）
5設(shè)計(jì)方法與步驟
熟悉了上述公式，尚需有磁心生產(chǎn)單位提供的直流疊加特性曲線，就可以進(jìn)行設(shè)計(jì)了，圖1為美國(guó)微金屬公司提供的曲線，供設(shè)計(jì)參考，實(shí)際操作時(shí)，亦可根據(jù)表2提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。
由于鐵粉心具有飽和磁通密度高，恒磁導(dǎo)特性好，價(jià)格便宜，而得到了廣泛應(yīng)用。因此，本文的設(shè)計(jì)方法與步驟，均以鐵粉心為準(zhǔn)。其它材料只要改變特性參數(shù)，其余無多大差別。
設(shè)計(jì)依據(jù)：電感量為100μH，額定電流為3A，在額定電流時(shí)，電感值不得不小于75μH。即要求恒磁導(dǎo)特性為75％。
介紹三種設(shè)計(jì)方法：
（1）方法一：利用恒磁導(dǎo)特性曲線及系列產(chǎn)品特性表（表3）進(jìn)行設(shè)計(jì)。
表3 鐵粉心(材料26)特性參數(shù)表
|
No |
OD×ID×HT |
Ae |
le |
Ve |
AL |
H/NI |
So |
l/N |
SA |
NI |
不同J最大NI |
||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
－26 |
mm×mm×mm |
cm2 |
cm |
cm3 |
nH/N2 |
0.4π/le |
cm2 |
cm |
cm2 |
70％μo |
3A/mm2 |
4A/mm2 |
5A/mm2 |
|
T50 |
12.7×7.9×4.83 |
0.112 |
3.19 |
0.358 |
33 |
0.3939 |
0.466 |
2.01 |
6.86 |
70 |
50 |
60 |
70 |
|
T50B |
12.7×7.9×6.35 |
0.148 |
3.19 |
0.471 |
43.5 |
0.3939 |
0.466 |
2.32 |
7.83 |
70 |
50 |
60 |
70 |
|
T60 |
15.2×8.53×5.94 |
0.187 |
3.74 |
0.699 |
50 |
0.336 |
0.571 |
2.48 |
9.84 |
80 |
60 |
80 |
100 |
|
T68 |
17.5×9.4×4.83 |
0.179 |
4.23 |
0.759 |
43.5 |
0.297 |
0.694 |
2.47 |
11.2 |
90 |
80 |
110 |
130 |
|
T80 |
20.2×12.6×6.35 |
0.231 |
5.14 |
1.19 |
46 |
0.2445 |
1.247 |
2.80 |
15.5 |
120 |
150 |
200 |
250 |
|
T80B |
20.2×12.6×9.53 |
0.347 |
5.14 |
1.78 |
71 |
0.2445 |
1.247 |
3.44 |
18.7 |
120 |
150 |
200 |
250 |
|
T90 |
22.9×14×9.53 |
0.395 |
5.78 |
2.28 |
70 |
0.2174 |
1.539 |
3.64 |
22.4 |
130 |
180 |
240 |
300 |
|
T94 |
23.9×14.2×7.92 |
0.362 |
5.97 |
2.16 |
60 |
0.2105 |
1.584 |
3.44 |
22.0 |
130 |
190 |
250 |
310 |
|
T106 |
26.9×14.5×11.1 |
0.659 |
6.49 |
4.28 |
93 |
0.1936 |
1.651 |
4.49 |
31.0 |
150 |
190 |
250 |
310 |
|
T106A |
26.9×14.5×7.92 |
0.461 |
6.49 |
3.00 |
67 |
0.1936 |
1.651 |
3.86 |
26.8 |
150 |
190 |
250 |
310 |
|
T130 |
33×19.8×11.1 |
0.698 |
8.28 |
5.78 |
81 |
0.1518 |
3.079 |
4.75 |
42.2 |
190 |
370 |
490 |
610 |
|
T131 |
33×16.3×11.1 |
0.885 |
7.72 |
6.84 |
116 |
0.1628 |
2.087 |
5.11 |
42.1 |
170 |
250 |
330 |
410 |
|
T150 |
38.4×21.5×11.1 |
0.887 |
9.38 |
8.31 |
96 |
0.134 |
3.631 |
5.28 |
53.2 |
210 |
430 |
580 |
720 |
|
T157 |
39.9×24.1×14.5 |
1.06 |
10.1 |
10.7 |
100 |
0.1174 |
4.562 |
5.89 |
63.2 |
240 |
540 |
720 |
900 |
|
T184 |
46.7×24.1×18 |
1.88 |
11.2 |
21.0 |
169 |
0.1122 |
4.562 |
7.54 |
89.2 |
250 |
540 |
720 |
900 |
|
T200 |
50.8×31.8×14 |
1.27 |
13.0 |
16.4 |
92 |
0.0967 |
7.942 |
6.50 |
90.9 |
290 |
950 |
1270 |
1590 |
|
T200B |
50.8×31.8×25.4 |
2.32 |
13.0 |
30.0 |
160 |
0.0967 |
7.942 |
8.78 |
120 |
290 |
950 |
1270 |
1590 |
1）查圖1或表2，可知75％μo時(shí)，H為25Oe。
2）由表3中磁心的H/NI值，計(jì)算出安匝數(shù)，即：
H=(H/NI)NI變換為NI=H/（H/NI）
試選T9026，該磁心的H/NI值為0.2168。
NI=25/0.2168=115.3,取115
再由安匝數(shù)，求匝數(shù)
N=NI/I=115/3=38.3,取38
計(jì)算電感量，該磁心的AL值為70nH/N2
L=N2AL=382×0.07=101.1μH
由于，此電感量接近所需值，故即可以38為所需匝數(shù)。如果，相差較多，則按公式（3）計(jì)算實(shí)際匝數(shù)。
3）由公式（3）計(jì)算匝數(shù)。
4）計(jì)算直流磁化力。
NI=N×I=38×3=114
H=（H/NI）×NI=0.2168×114=24.7Oe
5)核對(duì)％μo，由圖1或表2可知24.7Oe,％μo>75％,符合要求。
（2）方法二：由儲(chǔ)能系數(shù)推算。
1）計(jì)算儲(chǔ)能系數(shù)，按公式（6）：
W=LI2/2=100×32/2=450μJ
2）由W推算出安匝數(shù)。變換公式（6′）可得：
NI=[2000W/AL]1/2
試選T9026，該磁心的AL值為70。
NI=[2000×450/70]1/2=113.4,取113。
由安匝數(shù)計(jì)算N。
N=NI/I=113/3=37.7,取38
計(jì)算電感量，
L=N2AL=382×0.07=101.1μH
以下步驟同方法一，不再列出。
上述兩種方法，都要進(jìn)行試選。如果試選不行，視情況找大或小一種的規(guī)格試選，直到滿足要求為止。
（3）方法三：利用生產(chǎn)單位提供的兩種曲線，（見圖2，圖3），查出所需磁心。
設(shè)計(jì)依據(jù)：電感量為100μH，額定電流為4A，在額定電流時(shí)，電感量不低于75μH。
1）計(jì)算儲(chǔ)能系數(shù)。這里計(jì)算時(shí)，要求電感量為額定電流時(shí)的值，即75μH。
計(jì)算安匝數(shù)及電感量。
N=NI/I=130/4=32.5,取33
L=332×0.093=101.3μH
此電感量為非額定電流時(shí)的值。
以后步驟同前。表4列出四種常用規(guī)格的鐵粉心在幾種μo條件下，不同電流時(shí)最大電感量。在設(shè)計(jì)時(shí)，通過查對(duì)表格，即可確定選用何種磁心（鐵粉心的規(guī)格）。
表5列出不同額定電流，不同％μo時(shí)，不大于某個(gè)電感量時(shí)，可以選用的磁心規(guī)格。
表4四種常用規(guī)格的鐵粉心不同電流時(shí)電感量
|
％μo |
50％ |
60％ |
70％ |
75％ |
80％ |
90％ |
|---|---|---|---|---|---|---|
|
T13026 |
33.0×19.8×11.1 |
AL812A/mm2時(shí)NI240 |
||||
|
NI |
350 |
257 |
191 |
165 |
138 |
86 |
|
1A |
9.9mH |
5.3mH |
2.95mH |
2.2mH |
1.5mH |
600μH |
|
3A |
1.1mH |
590μH |
330μH |
245μH |
170μH |
66.6μH |
|
5A |
400μH |
215μH |
120μH |
88μH |
61.7μH |
24.0μH |
|
10A |
100μH |
53.5μH |
29.5μH |
22μH |
15.4μH |
6.0μH |
|
T10626 |
26.9×14.5×11.1 |
AL932A/mm2時(shí)NI130 |
||||
|
NI |
274 |
202 |
150 |
130 |
108 |
67 |
|
1A |
7.0mH |
3.8mH |
2.1mH |
1.6mH |
1.1mH |
410μH |
|
3A |
775μH |
420μH |
230μH |
175μH |
120μH |
46μH |
|
5A |
280μH |
150μH |
85μH |
60μH |
43μH |
16.7μH |
|
10A |
70μH |
37.9μH |
20.9μH |
15.7μH |
10.8μH |
4.2μH |
|
T9026 |
22.9×14.0×9.53 |
AL702A/mm2時(shí)NI120 |
||||
|
NI |
244 |
180 |
133 |
115 |
97 |
60 |
|
1A |
4.2mH |
2.3mH |
1.2mH |
925μH |
660μH |
250μH |
|
2A |
1.0mH |
560μH |
310μH |
230μH |
165μH |
63μH |
|
3A |
460μH |
250μH |
137μH |
102μH |
73μH |
28μH |
|
5A |
165μH |
90μH |
50μH |
37μH |
26μH |
10μH |
|
T8026 |
20.2×12.6×6.35 |
AL462A/mm2時(shí)NI100 |
||||
|
NI |
217 |
160 |
120 |
102 |
86 |
53 |
|
1A |
2.2mH |
1.2mH |
660μH |
480μH |
340μH |
130μH |
|
2A |
540μH |
290μH |
165μH |
120μH |
85μH |
32μH |
|
3A |
240μH |
130μH |
75μH |
50μH |
40μH |
15μH |
|
4A |
135μH |
75μH |
40μH |
30μH |
20μH |
8μH |
表5不同額定電流所需電感量選用何種磁心
|
A |
μH |
μo50％ |
μo60％ |
μo70％ |
μo75％ |
μo80％ |
μo90％ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
1 |
100 |
T2626 |
T3726 |
T4426 |
T5026 |
T5026B |
T8026 |
|
|
200 |
T3826 |
T5026 |
T5026B |
T6026 |
T6826 |
T9026 |
|
|
300 |
T5026 |
T5026B |
T6826 |
—— |
T7226 |
T10626 |
|
|
500 |
—— |
T6826 |
T8026 |
T7226 |
T9826 |
T13026 |
|
2 |
30 |
T3726 |
T3826 |
T5026 |
T5026B |
—— |
T8026 |
|
|
50 |
T3826 |
T5026 |
T5026B |
T6026 |
T8026 |
T9026 |
|
|
100 |
T5026 |
T6026 |
—— |
T7226 |
T8026B |
T10626 |
|
|
200 |
—— |
T7226 |
T9426 |
T10626A |
T10626 |
T15026 |
|
3 |
40 |
T5026B |
T6026 |
—— |
T7226 |
T8026B |
T10626 |
|
|
60 |
T6026 |
—— |
T7226 |
T8026B |
T9026 |
T13026 |
|
|
100 |
—— |
T7226 |
T9026 |
T10626A |
T10626 |
T15726 |
|
|
200 |
T9426 |
T10626A |
—— |
T13026 |
T15026 |
T18426 |
|
4 |
20 |
T5026 |
—— |
T6826 |
—— |
T7226 |
T10626A |
|
|
40 |
T6826 |
—— |
T7226 |
T9426 |
T10626A |
T13126 |
|
5 |
20 |
—— |
T6826 |
T8026 |
T7226 |
T9026 |
T13026 |
|
|
40 |
T8026 |
T8026B |
—— |
T10626A |
T10626 |
T15726 |
|
|
60 |
T8026B |
T10626A |
T10626 |
T13026 |
T13126 |
T17526 |
|
|
80 |
T9026 |
T10626 |
T13026 |
T13126 |
T15726 |
T18426 |
|
|
100 |
T10626A |
T10626 |
T13126 |
T15026 |
T15726 |
T20026B |
|
10 |
4 |
T5026B |
T6026 |
—— |
T7226 |
T8026B |
T10626 |
|
|
6 |
T6026 |
—— |
T7226 |
T9426 |
T10626A |
T13126 |
|
|
10 |
T8026 |
T8026B |
—— |
T10626A |
T10626 |
T15726 |
|
|
15 |
T8026B |
T10626A |
T10626 |
T13026 |
T13126 |
T17526 |
|
|
20 |
T9026 |
T10626 |
T13026 |
T13126 |
T15726 |
T18426 |
最后，需要指出的是，方法一、二計(jì)算出來的安匝數(shù)，有時(shí)會(huì)很大，實(shí)際上可能繞不下。因此，還要根據(jù)下列公式驗(yàn)算一下。
NI=KSoJ(7)
式中K為窗口利用系數(shù)，取0.4。
So為磁心窗口面積，單位為mm2。
J為電流密度，單位為A/mm2。一般可取2～4A/mm2。電流密度大了，可繞較多匝數(shù)，但銅耗增大，線圈溫升高。
表3右部列有不同電流密度時(shí)磁心可繞安匝數(shù)作為參考。
6溫升核算
（1）計(jì)算Bac
Bac=L△I×102/2AeN=
(75×0.75×100)/2×0.395×38=187.4(GS)
(2)計(jì)算單位體積功耗和鐵損
Pcore=6.94×10－10f1.36B2.03(f:Hz,B:GS)
=6.94×10－10×(100×103)1.36×(187.4)2.03
=179.9mW/cm3
PFe=Pcore×Ve=179.9×2.28=410.2mw
（3）計(jì)算銅損
Pcu=(N×l/N)×ρ×I2
I0=3A,使用＃19,每cm長(zhǎng)0.264mΩ
Pcu=38×3.64×0.264×32=328.6mW
（4）計(jì)算溫升
△T=|(PFe＋Pcu)/SA|0.833=|(410.2＋328.6)/
22.4|0.833=18.4℃
此溫升不算高，完全可以使用。
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