鐵粉心濾波電感器的設計

摘要：

濾波電感(扼流圈)的設計，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，費用也低，是一種理想材料。介紹三種扼流圈的設計方法。

關鍵詞：直流磁化飽和磁通密度恒磁導

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電感的影響。

以往的電子設備，例如使用電子管的電子設備，整流輸出多為高電壓小電流，當今采用晶體管和集成電路的電子設備，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電感的影響。這就要求濾波電感必須適應于大電流條件。因此，選擇什么樣的材料作磁心。如何設計好濾波線圈，減少直流磁化的影響，防止磁芯飽和，不能不成為一個值得重視的問題。

2關于恒磁導或恒電感特性

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，即具有某種恒磁導特性。由于直流磁化的影響，電感趨向于飽和，電感量會隨著工作電流增加而減小。根據大家的共識，所謂恒磁導特性，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其電感量不低于初始電感量的一半。掌握了這個特性，我們可以通過挑選不同的磁心，不同的規(guī)格，以達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特性。需要指出，有些設計人員往往只注意電感量的指標，選擇磁導率高的材料，以減少線圈的匝數，而對于電感額定電流較大時，電感量是否減少，減少到什么程度，會不會達到飽和，考慮較小。這是應該注意避免的。

表1列出一些磁心材料的恒磁導特性的比較，供選擇時參考。表中所說的恒磁導范圍，是指在這個直流磁化力范圍內，磁導率不會低于50％。減少直流磁化力相應提高磁導率的百分比。表2為磁導率75的鐵粉心，在不同直流磁化力時的磁導率的百分數。

表1一些磁心材料和恒磁導特性的比較

表2磁導率75的鐵粉心不同直流磁化力時的磁導率的百分數＊

H％＊注：縱、橫數字相加代表直流磁化力H，其交點對應磁導率的百分數

4有關計算公式

表3鐵粉心（材料26）特性參數表

AL（nH/N2）So(mm2)

　　為了更好地進行電感設計，滿足恒磁要求，需要熟練掌握一些磁學公式，并了解一些必要的磁學知識。

上面提到的直流磁化力可以通過（1）進行計算：

H=0.4πNI/lOe(1)

或H=NI/lA/cm(1′)

這里N為線圈匝數；I為電流，單位為安倍（A）；l為磁心的平均磁路長度，單位為厘米（cm）。將上述公式進行一下變換，則有：

H/NI=0.4π/l或H/NI=1/l

對于一個環(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

對于任何一個規(guī)格的環(huán)形磁心，都可得到一個H/NI值，將此值乘以安匝數，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，當安匝數一定時，選用大尺寸的磁心，H值就小，恒磁導特性就好。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。

以下再列出幾個公式：

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L單位為μH時，則W為μJ或μWs，將公式（2）代入（6），又可得一關系式：

W=LI2/2=N2ALI2/2=(NI)2AL/2(6)

此式中，如AL取nH/N2值，則為nJ。為使得出的結果為μJ，則公式可變成：

W=（NI）2AL/2000μJ（6′）

5設計方法與步驟

    熟悉了上述公式，尚需有磁心生產單位提供的直流疊加特性曲線，就可以進行設計了，圖1為美國微金屬公司提供的曲線，供設計參考，實際操作時，亦可根據表2提供的數據進行設計計算。

    由于鐵粉心具有飽和磁通密度高，恒磁導特性好，價格便宜，而得到了廣泛應用。因此，本文的設計方法與步驟，均以鐵粉心為準。其它材料只要改變特性參數，其余無多大差別。

    設計依據：電感量為100μH，額定電流為3A，在額定電流時，電感值不得不小于75μH。即要求恒磁導特性為75％。

介紹三種設計方法：

    （1）方法一：利用恒磁導特性曲線及系列產品特性表（表3）進行設計。

表3  鐵粉心(材料26)特性參數表

   1）查圖1或表2，可知75％μo時，H為25Oe。

   2）由表3中磁心的H/NI值，計算出安匝數，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，求匝數

N=NI/I=115/3=38.3,取38

計算電感量，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。如果，相差較多，則按公式（3）計算實際匝數。

3）由公式（3）計算匝數。

4）計算直流磁化力。

　　NI=N×I=38×3=114

H=（H/NI）×NI=0.2168×114=24.7Oe

5)核對％μo，由圖1或表2可知24.7Oe,％μo>75％,符合要求。

（2）方法二：由儲能系數推算。

1）計算儲能系數，按公式（6）：

W=LI2/2=100×32/2=450μJ

2）由W推算出安匝數。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。

由安匝數計算N。

N=NI/I=113/3=37.7,取38

計算電感量，

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：利用生產單位提供的兩種曲線，（見圖2，圖3），查出所需磁心。

設計依據：電感量為100μH，額定電流為4A，在額定電流時，電感量不低于75μH。

1）計算儲能系數。這里計算時，要求電感量為額定電流時的值，即75μH。

計算安匝數及電感量。

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，不同電流時最大電感量。在設計時，通過查對表格，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，不大于某個電感量時，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電感量

表5不同額定電流所需電感量選用何種磁心

最后，需要指出的是，方法一、二計算出來的安匝數，有時會很大，實際上可能繞不下。因此，還要根據下列公式驗算一下。

NI=KSoJ(7)

式中K為窗口利用系數，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，但銅耗增大，線圈溫升高。

表3右部列有不同電流密度時磁心可繞安匝數作為參考。

6溫升核算

（1）計算Bac

Bac=L△I×102/2AeN=

(75×0.75×100)/2×0.395×38=187.4(GS)

(2)計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）計算銅損

Pcu=(N×l/N)×ρ×I2

I0=3A,使用＃19,每cm長0.264mΩ

Pcu=38×3.64×0.264×32=328.6mW

（4）計算溫升

△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。