一文點醒你！電感飽和究竟是怎么回事？

時間：2020-07-23 09:23:58

關(guān)鍵字：電感

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[導(dǎo)讀]“電感飽和”這個一直聽到的詞匯你究竟理解其含義嗎？除了電流彎曲失真、燒壞器件這些表象，在物理上“飽和”到底是什么意思？感值、耐溫、飽和電流、尺寸、價格 —— 這五個是我們電感選型的基本坐標系，當然我們還會考慮線圈和磁心的形態(tài)、磁材、安裝焊接

“電感飽和”這個一直聽到的詞匯你究竟理解其含義嗎？除了電流彎曲失真、燒壞器件這些表象，在物理上“飽和”到底是什么意思？

感值、耐溫、飽和電流、尺寸、價格 —— 這五個是我們電感選型的基本坐標系，當然我們還會考慮線圈和磁心的形態(tài)、磁材、安裝焊接方式。選型過程中最惱火的無過于在數(shù)十個電感中找到合適的，卻發(fā)現(xiàn)其中一個參數(shù)不滿足要求，或者僅僅因為發(fā)生概率極低的峰值功率而導(dǎo)致的飽和電流不足而帶來過大的設(shè)計裕量。

“感性”的秘密

電感之所以呈現(xiàn)感性，即流過電感的電流會滯后于施加在電感上的電流（事實上是滯后 90 度相角）：

因為楞次定律，電感就像熊孩子抓住家里的寵物，阻礙寵物的前進（電流的變化），你得給熊孩子一些壓力，他先會不大情愿，然后再讓寵物（電流）走一下（我們充分利用了這個不聽話的特性來實現(xiàn)我們扼流 Choke 的目的）；電感又像一個彈簧，當你施加壓力的時候，它把一部分能量存在自己體內(nèi)，剩下的一部分能量傳輸出去，當彈簧被壓縮到極，它沒辦法再存儲更多的能量了，即發(fā)生飽和，所有增加的能量都被悉數(shù)傳遞出去，電感失去了它的滯后作用。

在物理上彈簧這個例子或許更加恰當，就像下面這段在網(wǎng)上找到的教科書般的答案：

電子在原子外層繞著數(shù)層軌道旋轉(zhuǎn)，每一層電子旋轉(zhuǎn)都會依愣次定律產(chǎn)生一微弱的磁場，每一層的磁力不同、方向也不同，但合力為零，沒有磁性。當一線圈通電流，同樣的依愣次定律產(chǎn)生一磁場，磁力線穿過磁性材料（鐵心），磁性材料內(nèi)原子的電子旋轉(zhuǎn)軌道開始轉(zhuǎn)向，以抵消線圈產(chǎn)生的磁力線，線圈電流越大，越多磁性材料電子的旋轉(zhuǎn)方向改變，所有磁性材料電子旋轉(zhuǎn)方向都相同時，就是磁飽和。

電感飽和原因與理論分析

當我們在所有電子上都疊加一個共同的旋轉(zhuǎn)方向，就像整齊劃一的軍隊方陣，它的磁力就達到了，不能再增加磁力就被成為飽和。這種說明足夠形象，可以定性解釋飽和的概念，但是定性可能并不能讓你滿足，物理的魅力遠遠不止在定性分析。

電感飽和的物理意義

當我們談?wù)撾姼酗柡偷臅r候，實際上是在談?wù)撹F心飽和，空心的電感永遠不會飽和。這時候很直觀的問題就是：為什么不使用空心電感呢？這就必須從電感量的計算公式說起（這里直接拿出結(jié)論，具體的推導(dǎo)將在下一部分提到）：

式L中是感量，磁導(dǎo)率μ，繞組等效匝數(shù)N，磁路的等效截面積為S，電感線圈等效磁路長度為?。

顯而易見，要提高感值可以增大分子μ、N、S ，減小分母?。N往往受限于體積（尤其是功率電感的線非常粗，每一匝都會大大增加體積，且提高N也會提高）、線阻（發(fā)熱）、寄生電容（尤其是 EMC 電感，寄生電容會大大削弱其高頻抑制能力）。

在相同 dimensions 下，提高μ幾乎是唯一途徑，空氣的磁導(dǎo)率幾乎等于真空中磁導(dǎo)率μ0，而性能優(yōu)異的磁性材料μ可達2000μ0，空心電感對比含有磁心的電感，其感值也會相差幾千倍。

9種鐵磁性材料表示磁飽和的磁化曲線

（1.鋼板 2.硅板 3.鋼鑄件 4.鎢鋼 5.磁鋼 6.鑄鐵 7.鎳 8.鈷 9.磁鐵礦）

“成也蕭何，敗也蕭何?！宝處椭覀儷@得高感值，卻也帶給我們飽和的問題。磁場強度H和磁感應(yīng)強度B的關(guān)系可以用磁導(dǎo)率表示：

磁性材料的磁導(dǎo)率不是一個恒定不變的量，而是取決于磁場強度H。在會發(fā)生磁飽和的金屬中，隨著通過電感的電流增加，相對磁導(dǎo)率μ隨磁場強度H的增加達到一個最大值，然后隨著它的飽和減小，最后會變?yōu)?，所以相應(yīng)的電感L也趨向空心電感。

換句話說，就是變成了導(dǎo)線，這就是電感飽和的物理意義。電感不會消失，只會退化成空心電感。