电感的16个核心参数及其选型

电感作为三大被动器件之一，就功能而言，是一种电磁感应组件，也称为扼流器、电抗器、动态电抗器、线圈、扼流圈等，其主要功能是储蓄电能，线圈内电流产生磁场，该磁场再产生电流，可将电能转化为磁能存储起来，从而保证电压稳定。还有整理和筛选信号、过滤噪声、稳定电流及抑制电磁波干扰（EMI静噪滤波器）等功能。电感是一种重要的电子元件，它在电路设计中扮演着至关重要的角色。本文将介绍电感的基本原理、种类、核心参数和选型要点，帮助大家更好地理解和应用电感。

当电流通过线圈时，就会产生磁场，从而在线圈中存储磁能。电感的充电和放电过程就是磁场储存和释放的过程。电感的感值大小与线圈的匝数、线圈的面积以及周围环境的磁导率有关。一般来说，线圈的匝数越多，线圈的面积越大，周围的磁导率越高，电感的感值就越大。

电感器的结构类似于变压器，但只有一个绕组，其外形由电线一圈圈缠绕而成，一般由骨架、绕组、屏蔽罩、封装材料、磁芯或铁心等组成，电感的工作原理为当导线内通过交流电时，导线内部及周围产生交变磁通，从而起到“通直流、阻交流”的作用，由楞次定律可知该磁力线会阻止原本磁力线的变化，电感的作用与电容相反，常与电容在一起，组成LC滤波电路等。如果电感器在没有电流通过的状态下，电路接通时它将试图阻碍电流流过它；如果电感器在有电流通过的状态下，电路断开时它将试图维持电流不变。所以具有滤波、振荡、延迟、陷波等功能，还有筛选信号、过滤噪声、稳定电流及抑制电磁波干扰等作用。它与电阻器或电容器能组成高通或低通滤波器、移相电路及谐振电路等，应用非常广泛。

以圆柱型线圈为例，简单介绍下电感的基本原理：

如上图所示，当恒定电流流过线圈时，根据右手螺旋定则，会形成一个图示方向的静磁场。而电感中流过交变电流，产生的磁场就是交变磁场，变化的磁场产生电场，线圈上就有感应电动势，产生感应电流：

电流变大时，磁场变强，磁场变化的方向与原磁场方向相同，根据左手螺旋定则，产生的感应电流与原电流方向相反，电感电流减小；电流变小时，磁场变弱，磁场变化的方向与原磁场方向相反，根据左手螺旋定则，产生的感应电流与原电流方向相同，电感电流变大。

以上就是楞次定律，最终效果就是电感会阻碍流过的电流产生变化，就是电感对交变电流呈高阻抗。同样的电感，电流变化率越高，产生的感应电流越大，那么电感呈现的阻抗就越高；如果同样的电流变化率，不同的电感，如果产生的感应电流越大，那么电感呈现的阻抗就越高。

简单来说，电感按功能可分成射频电感和功率电感；按工艺可分为绕线电感、层叠电感和薄膜电感；按材料可分为磁性电感和非磁性电感。

当然我们还可以将电感按用途分为高频电感、功率电感（主要为电源类电感）、一般电路用电感。高频电感主要用途包括耦合、共振、扼流；功率电感主要用途包括变化电压和扼流；而一般电路用电感提供广泛的电感范围和尺寸，用于声音、视频等普通模拟电路、共振电路等。

按电感形式分为固定电感、可变电感。

按导磁体性质可分为空芯线圈、铁氧体线圈、铁芯线圈、铜芯线圈。

按工作性质可分为天线线圈、振荡线圈、扼流线圈、陷波线圈、偏转线圈。

按绕线结构可分为单层线圈、多层线圈、蜂房式线圈。

按工作频率可分为高频线圈、低频线圈。

按结构特点可分为磁芯线圈、可变电感线圈、色码电感线圈、无磁芯线圈等。

按封装方式分类，可分为插装式电感、片式电感。片式电感体积小、重量轻、可靠性好、便于安装，已取代插装式电感成为主流，又分为绕线式、叠层式、薄膜片式和编织线式四类，其中叠层片式、绕线式最为常见。

1️⃣常见的电感

1、线圈电感：线圈电感是最基本的电感形式，它由一圈圈的导线绕制而成。其特点是感值范围广、稳定性好，但体积较大，适用于工频、低频电路中。线圈电感一般用于滤波、振荡、定时等场合。

2、贴片电感：贴片电感是一种表面贴装的电感，它由导线和磁芯组成。其特点是感值范围较窄，但体积小、重量轻，适用于高频、小型化电路中。贴片电感一般用于滤波、振荡、频率补偿等场合。

3、功率电感：功率电感是一种大功率的电感，它能够在高电压、大电流的条件下工作。其特点是容量大、稳定性好，但体积较大，适用于电源、驱动等电路中。功率电感一般用于滤波、振荡、限流等场合。

4、射频电感：射频电感是一种工作在高频范围内的电感，它具有高感值、小体积等特点。其特点是频率高、阻抗低，但稳定性较差，适用于高频、微波电路中。射频电感一般用于滤波、谐振、频率变换等场合。

2️⃣电感的核心参数

1、电感量L

电感量L表示线圈本身固有特性，与电流大小无关。除专门的电感线圈（色码电感）外，电感量一般不专门标注在线圈上，而以特定的名称标注。电感量也称自感系数，是表示电感器产生自感应能力的一个物理量。

电感器电感量的大小，主要取决于线圈的圈数(匝数)、绕制方式、有无磁芯及磁芯的材料等。通常，线圈圆数越多绕制的线圈越密集电感量就越大。有磁芯的线圈比无磁芯线圈电感量大磁芯导磁率越大的线圈，电感量也越大。

电感量的基本单位是亨利(简称亨)用字母H表示。

2、感抗XL

电感线圈对交流电流阻碍作用的大小称感抗XL，单位是欧姆。它与电感量L和交流电频率f的关系为XL=2πfL。

3、品质因素Q

品质因素Q是表示线圈质量的一个物理量，Q为感抗XL与其等效的电阻的比值，即：Q=XL/R。线圈的Q值愈高，回路的损耗愈小。线圈的Q值与导线的直流电阻，骨架的介质损耗，屏蔽罩或铁芯引起的损耗，高频趋肤效应的影响等因素有关。线圈的Q值通常为几十到几百。采用磁芯线圈，多股粗线圈均可提高线圈的Q值。

4、直流电阻DCR

电感线圈在非交流电下量得之电阻，在电感器设计中，直流电阻愈小愈好，其量测单位为欧姆，通常以其最大值为标注。

5、分布电容

线圈的匝与匝间、线圈与屏蔽罩间、线圈与底版间存在的电容被称为分布电容。分布电容的存在使线圈的Q值减小，稳定性变差，因而线圈的分布电容越小越好。采用分段绕法可减少分布电容。

6、自谐振频率(Self-Resonance Frequency)

由于Cp的存在，与L一起构成了一个谐振电路，其谐振频率便是电感的自谐振频率。在自谐振频率前，电感的阻抗随着频率增加而变大；在自谐振频率后，电感的阻抗随着频率增加而变小，就呈现容性。

7、允许误差

电感量实际值与标称之差除以标称值所得的百分数。

允许偏差是指电感器上标称的电感量与实际电感的允许误差值。

一般用于振荡或滤波等电路中的电感器要求精度较高，允许偏差为±0.2%~±0.5%而用于耦合、高频阻流等线圈的精度要求不高，允许偏差为±10%~±15%。

8、标称电流

也叫额定电流，指线圈允许通过的电流大小，通常用字母A、B、C、D、E分别表示，标称电流值为50mA、150mA、300mA、700mA、1600mA 。额定电流是允许能通过一电感之连续直流电流强度，此直流电流的强度是基于该电感在最大的额定环境温度中的最大温升，额定电流与一电感由低的直流电阻以降低绕线的损失的能力有关，亦与电感驱散绕线的能量损失的能力有关，因此额定电流可借着降低直流电阻或增加电感尺寸来提高，对低频的电流波形，其均方根电流值可以用来代替直流额定电流，额定电流与电感的磁性并无关连。

9、饱和电流Isat

在电感上加一特定量的直流偏压电流，使电感的电感值下降，相对未加电流时的电感值下降10%(铁氧体磁芯)或20% (铁粉芯)，这个直流偏压电流就叫该电感的饱和电流。空芯、陶瓷芯电感是没有饱和电流的。

10、直流阻抗Rdc

电感的阻抗值是指其在电流下所有的阻抗的总和(复数) ,包含了交流及直流的部分，直流部分的阻抗值仅仅是绕线的直流电阻(实部)，交流部分的阻抗值则包括电感的电抗(虚部)。从这个意义上讲, 也可以把电感器看成是"交流电阻器”。电感通过直流电时的电阻值。这个参数影响最大最直接的就是发热损耗，所以直流阻抗越小损耗越少。减小Rdc与尺寸小型化等条件略有冲突。只要从上述的满足电感、额定电流等必要特性的电感器当中，选定Rdc更小的产品即可。

11、阻抗频率特性

理想电感的阻抗随着频率增加而增加，然而实际电感由于寄生电容和寄生电阻的存在，在一定频率下呈现感性，超过一定频率呈容性，阻抗反而随着频率的增加而减小，这个频率就是转折频率。

12、居里温度

居里温度是铁芯的一个重要参数，超过此温度铁氧体磁芯将失去磁性。因此要注意电感的工作温度不能超过铁芯的居里温度。铁芯的磁导率一般在接近居里温度时会急速上升，因而电感值亦上升，居里温度导磁率降至很低，因而使电感值急速下降，当导磁率下降至室温下的10%时，其温度称之为居里温度。

13、测试频率

测试频率用来测量电感的电感值或Q值的频率，工业上常用的测试频率包括：1KHz、79.6KHz、252KHz、796KHz、2.52MHz、7.96MHz、25.2MHz、50MHz，现在的趋势是根据客户的使用频率作为测试频率。

14、铁芯损失（core loss）

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，其涡流损就相对地低。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，即与电流交流成分的摆动（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。

15、封装结构（shield structure）

铁氧体电感的封装结构有非遮蔽式、加磁胶之半遮蔽式、与遮蔽式，而不论哪一种都存在相当的空气隙。显然此空气隙会有漏磁发生，且最坏的情况是会干扰周遭之小信号电路，或者，如果附近有导磁材料，其电感值也因此被改变。另一种封装结构为冲压式铁粉电感，由于电感内部没有间隙，且绕组结构扎实，因此磁场散逸问题较小。图10是利用RTO 1004示波器之FFT功能量测冲压式电感上方及侧边3mm处之漏磁场大小。表4列出不同封装结构电感的漏磁场大小比较，可看出非遮蔽式（non-shielded）电感之漏磁最严重；冲压式（molded）电感的漏磁最小，显示其磁遮蔽效果最好。这两种结构的电感之漏磁场大小相差约14dB，也就是将近5倍。

16、耦合（coupling）

在一些应用当中，有时PCB上会有多组直流转换器，通常会相邻排列，且其对应之电感器也会相邻排列的情况，如果使用非遮蔽式或加磁胶之半遮蔽式的电感器，可能会相互耦合，形成EMI干扰。因此，在放置电感时，建议先标注电感的极性，将电感最内层之起绕点接到转换器之切换电压，如降压转换器的VSW，即动点，而将电感之外层出线端接到输出电容，即静点；铜线绕阻也因此如同形成一定程度的电场遮蔽。在多路转换器的布线安排中，固定电感的极性，有助于固定互感的大小，避免一些意想不到的EMI问题。

3️⃣电感的选型要点

在电路设计中，电感主要有三大类应用：

功率电感：主要用于电压转换，常用的DCDC电路都要使用功率电感；去耦电感、差模电感、共模电感：主要用于滤除电源线或信号线上的噪声，EMC工程师应该熟悉；高频电感：主要用于射频电路，实现偏置、匹配、滤波等电路。

正确选择电感是非常重要的一步。以下是电感选型时需要注意的几个要点：

1、电感值：感值是电感存储磁能的能力，是电感最重要的参数之一。应根据电路的实际需求选择具有合适感值的电感。一般来说，电感的感值越大，对电流的限制就越小，但也会影响电路的响应速度和阻抗等。

2、频率响应：电感的频率响应是指电感在不同频率下表现的感值和阻抗。应根据电路的实际需求选择具有合适频率响应的电感。例如，如果电路中有高频信号处理，就需要选择具有较好频率响应的电感，以保持信号的质量。

3、温升和散热：电感在工作时会产生热量，应根据电路的实际需求选择具有合适温升和散热能力的电感。例如，如果电路中的工作温度较高，就需要选择具有较好散热能力的电感，以保持电路的性能稳定。

4、封装方式和形状：根据电路布局和空间要求选择合适的封装方式和形状。不同的封装方式和形状具有不同的特点和适用场景，需要根据实际情况进行选择。

5、注意导线（漆包线、纱包线或裸导线），常用的漆包线。要找出最适合的线径。

选型的依据要在电感规格书里查阅清楚：

1）了解电感封装规格、外型尺寸;

2）了解电感基本静态电气参数及测试条件:

A)标称电感量及误差；B)额定电流；C)最大直流电阻值(D.C.R)；D)品质因素(Q值)及谐振频率(F0)(针对高频电感)；E)绝缘电阻及耐压要求。

3）了解电感动态工作性能：A)电感量 vs 频率；B)电感量 vs 工作电流；C)电感量 vs 工作环境温度；D)表面温升vs 工作电流。

4）了解电感的可靠性(机械强度、环境测试、持续耐久测试等)试验定义的条件及具体要求。

5）了解电感制程装配及焊接条件定义(可焊性测试、耐焊接热测试)。

6）环保法律法规符合状况查询(欧盟RoHS、Reach以及无卤等要求）。

4️⃣不同电感的不同选型方法

关于差模电感的选型：

1、磁芯：要求磁芯材料在偏磁场下仍然能够保持磁导率指标。适合制作差模电感器（扼流圈）的磁心材料是具有高Bs值的金属磁粉心磁环和开路铁氧体磁芯，但是考虑现在的EMI和EMC的要求。铁镍钼、铁镍50、铁硅铝三种闭和磁路的金属磁粉心磁环是最合适的。

2、线径：可简单通过电流密度（J=I/S，J表示电流密度、I表示输入电流（有效值）、S表示差模电感绕组的横截面积）评估，一般电流密度控制在小于10A/mm2，实际调试还是需要测试差模电感的温度，温度满足规格书要求即可。

3、饱和电流：厂家生产出的差模电感成品，都会标注其饱和电流，正常工作时流入差模电感的电流需要小于等于规格书标注的饱和电流。

4、耐压：异常状态下（雷击浪涌抗干扰测试项目等），由于差模电感的特性，会抑制高频瞬态能量，起到阻碍高频电流流通，此时会导致在差模电感两端产生较大的电动势，形成电感两端的电压差。此时需要评估电感两端产生的电压差是否满足线圈外层绝缘皮的耐压。

5、电感值：可参考共模电感的电感值选型，即通过频率阻抗曲线选择合适的电感量。

关于插件式功率电感的选型：

1、封装尺寸的参数信息：插件式功率电感封装尺寸的参数信息主要指的是插件式功率电感的长、宽、高、引脚长度、引脚直径等主要尺寸参数。因为这些尺寸信息反应的是插件式功率电感的物理形状大小，直接关系到是否可以正确安装到电路板上。

2、电性能的参数信息：插件式功率电感电性能的参数信息主要就是电流、感值、阻抗等方面的参数信息。不同型号的插件式功率电感参数信息是不同的。

3、结合功率电感的使用场合，如在何种回路上，一般功率电感可用于DC-DC电源回路、音频电源回路、CPU电路等回路上；

4、如果是DC-DC回路，要求功率电感的自谐频率要大于回路的频率；

5、根据电路的设计选择合适的电感值，如在DC-DC回路上，功率电感主要作用是储能和滤波，一般大的感量对应强的滤波特性，但同时大感量会增加电感的RDC，影响电感的额定电流和响应速率，因此要合理选择感量；

6、根据回路电流的大小选择功率电感，功率电感一般有两种电流，直流重叠电流及温升许容电流，在选型时，需要以其中较小的作为额定电流值；

7、最后根据产品尺寸、焊盘等选择相应尺寸的功率电感。

插件电感成本低，体积大，电感量范围宽，种类齐全。但插件电感分类较多，在特性、特点、和作用上也是有很大的差别，生产的方式也不一样。插件电感比较适用于产品空间内置电路板尺寸比较大的产品。插件电感可分为插件色环电感，插件工字型电感，插件三脚电感，插件卧式电感，共模电感，磁环电感。

电感在Layout时，应注意两个电感不能紧邻着放置，至少距离20mil以上。原因就是磁场会相互影响，从而影响感值，参考共模电感特性。电感选型要清楚器件的原理和应用，综合考虑成本、降额、兼容性等多种因素，做最优的设计选型。

电感详解及设计规范

磁性元件的设计是开关电源设计中的重点和难点，究其原因是磁性元件属非标准件，其设计时需考虑的设计参数众多，工艺问题也较为突出，分布参数复杂。为帮助硬件工程师尽快了解磁性元件，优化设计并减少设计中的错误，特制定此规范。

1 电磁学基本概念及公式

1.1 基本概念

1）磁通：穿过磁路的磁力线的总数，以Ф表示，单位韦伯（Wb）。

2）磁通密度（磁感应强度）：垂直于磁力线的方向上单位面积的磁通量，以B表示，单位高斯（Gauss）或特斯拉（T），1 T=104Gauss。

3）磁场强度：单位磁极在磁场中的磁力，以H表示，单位安[培]每米（A/m）或奥斯特（Oe），1 Oe=103/4π A/m。

4）磁导率：磁通密度与磁场强度之比，以μ表示，实际使用中通常指相对于真空的磁导率，真空中的磁导率μ0 =4π×10-7 H/m。

5）磁体：磁导率远大于μ0的物质，如铁，镍，钴及其合金或氧化物等。

6）居里温度点：磁体在温度升高时，其磁导率下降，当温度高到某一点时，磁性基本消失，此温度称为居里温度点。

7）磁势：建立磁通所需之外力，以F表示。

8）自感：磁通变化率与电流变化率之比称为自感，以L表示。

9）互感：由于A线圈电流变化而引起B线圈磁通变化的现象，B线圈的磁通变化率与A线圈的电流变化率之比称为A线圈对B线圈的互感，以M表示。

1.2 基本公式

法拉第电磁感应定律：

穿过闭合回路的磁通发生变化，回路中会产生感应电流。如果回路不闭合，无感应电流，但感应电动势依然存在，感应电动势的大小：

磁场中的磁体存储的能量为：

电学与磁学的对偶关系表：

2 磁元件的基本特性

2.1 磁滞效应（Hysteresis Effect）：

磁化过程中，磁通密度B的变化较磁化力F的变化迟缓的现象称为磁滞。

2.2 霍尔效应（Hall Effect）：

流过电流的导体穿过磁场时，在导体两端产生感应电势的现象，称为霍尔效应。

2.3 临近效应（Proximity Effect）

流过电流的导线会产生磁场，相邻的导线在相互的磁场（也可以是外加磁场）作用下会产生电流挤到导体一边的现象成为临近效应。相邻层的导线若电流方向相同，电流会往外侧挤，相邻层的导线若电流方向相反，电流会往外内侧挤，如下图所示。临近效应会导致导体的利用率下降，铜损增加（与趋肤效应类似）。

2.4 磁材料的饱和

随着磁性材料中的磁场强度增加，其磁通密度也增大，但当磁场强度大到一定程度时，其磁通不再增加(见图3.1磁滞回线的Bs)，这称为磁饱和。

2.5 磁芯损耗

磁芯损耗主要由磁滞损耗和涡流损耗组成。

单位体积内的磁滞损耗正比与磁场交变的频率f 和磁滞回线的面积。

涡流损耗是指当通过磁芯的磁通交变时，会在磁芯中感应电势，该电势进而在磁芯中产生电流，从而产生损耗，它与磁芯材料的电阻率有关，与频率f 也有关。

3 电感磁芯的分类及特点

3.1 磁芯材料的分类及其特点

3.1.1 铁氧体（Ferrite）

以Fe2O3为主成分的亚铁磁性氧化物，有Mn-Zn、Cu-Zn、Ni-Zn 等几类，其中Mn-Zn 最为常用。

优点：成型容易，成本低，电阻率高，高频损耗较小。

缺点：饱和磁通较低（4000~5000高斯） ，居里温度点较低。

多适于10K－500KHz频率，较低功率的应用。常用作高频变压器，小功率的储能电感等。高磁导率的铁氧体也常用作EMI共模电感。常用的材质有TDK公司的PC40，TOKIN公司的BH2，Siemens公司的N67，Philips公司的3C90等。

3.1.2 硅钢片（Silicon Steel）

在纯铁中加入少量的硅（一般在4.5%以下）形成的铁硅系合金

优点：易于生产，成本低，饱和磁通较高（约12000高斯）。

缺点：电阻率低，高频涡流损耗大。

一般使用频率不大于400Hz，在低频、大功率下最为适用。常用做电力变压器，低频电感，CT等。常用材质有新日铁公司的取向硅钢Z11（35Z155）。

3.1.3 铁镍合金（又称坡莫合金或MPP）

坡莫合金常指铁镍系合金，镍含量在30~90%范围内。

优点：磁导率很高，损耗很低，高频性能好

缺点：成本高

由于成本过高，目前很少使用。

3.1.4 铁粉芯（Iron Powder）

铁粉芯是由铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成的一种软磁材料，存在分散气隙（效果类似与铁磁材料开气隙）。常用铁粉芯是由碳基铁磁粉及树脂碳基铁磁粉构成。

优点：磁导率随频率的变化较为稳定，随直流电流的变化也相对稳定，成本较低。

缺点：磁导率低，高频下损耗高，有高温老化问题。

因其直流电流叠加性能好，常用于工频或直流中叠加高频成份的滤波和储能电感，如PFC电感，INV电感，BUCK电路的储能电感。常用材质为MircoMetals公司的-8、-26、-34、-35系列。

3.1.5 铁硅铝粉芯（又称Sendust或Kool Mu）

构成：由约9%Al,5%Si, 85%Fe 粉构成。

优点：损耗较低，性价比较优。

缺点：价格比铁粉芯略高。

其直流电流叠加性能较好，损耗较铁粉芯低，可代替铁粉芯作为UPS中PFC的电感和逆变器的输出滤波电感。常用材质为Magnetics公司的Kool Mu系列，以及Arnold公司的Sendust（Super-MSS）系列。

3.2 磁芯的外形分类：

上图磁芯的组合便可形成完整的Core。

常用Core的外形有：EE、EI、ETD、DR、TOROID

3.3 电感的结构组成

3.3.1 环型电感

注：磁芯表面必须有覆盖层（Coating）或用绝缘Tape缠绕以做绝缘，未Coating的磁芯一般呈灰黑色。

3.3.2 EE型电感/变压器

3.4 电感的主要类型：

EMI共模电感

储能电感

3.5 电感磁芯主要参数说明

铁窗面积Ae ：铁芯的有效横截面积

铜窗面积Aw ：可利用的绕线横截面积

绕线系数 Kw ：实际有效绕线横截面积与可利用的绕线横截面积之比

等效磁路长度：磁芯的等效磁路径长度

电感系数AL ：，这个系数表现的是同一个铁芯的感值与圈数的关系，可见对于确定

的铁芯，感值与圈数的平方成正比。

磁芯损耗（铁损）Pcoreloss：

线圈损耗（铜损）Pcoilloss：

4 电感在UPS中的应用

在线式大机常用整机拓扑——BOOST+3LEVELBRIDGE

在线式小机常用PFC拓扑——Vienna BOOST

在线式小机常用DC-DC拓扑——PUSH-PULL

在线式大机常用CHGR拓扑——BUCK

以上四个主要拓扑所用的电感均为储能或滤波电感，其中电流是直流或低频电流（50Hz）与高频电流（开关频率）的叠加。

常用三相输入EMI滤波器电路

EMI共模电感为一种特殊结构的电感，其一般串在市电输入或UPS输出端，输入零火线同时绕入并且圈数相等。当流经电感的零火线的电流之和为零时（差模电流），电感由于磁通抵消的原因不表现出感性（此时与导线无异），当流经电感的零火线的电流不为零时（共模电流），电感表现出感性以抑制共模干扰信号。

5 电感设计的原则

5.1 原则一：电感不饱和（感值下降不超出合理范围）

由磁滞回线图可以看出，H加大时，B值也同时增加，但H加大到一定程度后，B值的增加就变得越来越缓慢，直至B值不再变化(u值越来越小，直至为零)，这时磁性材料便饱和了。通常电路中使用的电感都不希望电感饱和（特殊应用除外），其工作曲线应在饱和曲线以内，Hdc称为直流磁场强度或直流工作点。

磁芯在直流工作点下的磁滞回线

对于储能滤波电感，由于需要承受一定的直流电流（低频电流相对与高频开关电流也可视为直流），也就是存在直流工作点Hdc不为零。磁芯需加气隙才能承受较大的直流磁通，如下图，所以该类电感通常选用铁粉芯做磁芯（有分散气隙）。

磁芯加气隙对磁滞回线的影响图

铁粉芯的磁导率与直流磁场强度关系图

由于磁芯加了分布气隙，其饱和过程就不是一个突变而是一个渐变的过程，所以电感的不饱和问题就转化为电感感值在直流量下的合理下降问题。

对于PFC、BOOST、BUCK以及DC-DC电感，电感的取值通常由设计要求最大纹波电流（Ripple Current）来决定（通常设计指标是最大纹波电流百分比）。

其中，对于BUCK和DC-DC电感，其直流工作点（IAVG）相对恒定，如图

可从磁芯厂商提供的图表或计算公式得到。通常，无论如何设计，在最大直流工作点处，都不应低于初始磁导率的30％，否则将导致感值摆动太大而对控制器产生不利影响。

对于PFC、BOOST电感，其直流工作点是50Hz/60Hz的工频信号，并不固定，如下图。

此时，最大纹波电流百分比定义为最大纹波电流与额定输入电压下的电感电流峰值之比。

注意，此处的直流工作点是输入瞬时电压为BUS电压一半时对应的输入瞬时电流。

同时，在最恶劣条件的最大直流工作点下（低压满载输入电流的峰值），也都不应低于初始磁导率的30％。

对于INV电感，电感的取值通常看控制器能否可靠限流来决定。

由于INV电感需承受RCD等非线性冲击负载，所以UPS通常有波峰因数比大于3：1的要求，考虑实际逆变限流会稍大于3:1，通常取到4：1，所以，INV电感的最大直流工作点可以设为4:1（4倍于额定负载下的电感电流有效值）。当然，若波峰因数规格要求改变，需要做相应调整。

最大直流工作点下，不应低于初始磁导率的30％，否则很可能造成限流不可靠而损坏INV开关管。

感值确定后，选择恰当的磁芯，查规格可得其AL值，用以下公式就可算出匝数。

5.1 原则二：电感损耗导致的温升在允许的范围内（考虑使用寿命）

电感主要由磁芯、线圈组成，所以其温度要求也由这两方面的限制构成。

磁芯（Core）：

储能电感的磁芯有铁粉芯、铁硅铝粉芯、铁氧体等构成，目前使用最多的是铁粉芯。铁粉芯存在高温老化导致失效的问题，其失效机理可解释如下：铁粉芯是由铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成，绝缘介质通常是高分子聚合物－树脂类构成，其在高温下绝缘性能会慢慢劣化，铁磁材料间的电阻会越来越小，从而磁芯的涡流损耗越来越大，大的损耗导致更高的温升，这样便形成了正反馈，这称为热跑脱效应（Thermal Run away）。铁粉芯磁芯的寿命便是由热跑脱效应决定的，其与温度、工作频率和磁通密度都有关系。目前公司使用较多的MicroMetals公司的铁粉芯存在上述问题。但也需提醒的是，如绝缘介质无高温劣化问题，磁芯便不会有热跑脱效应，这与各公司的使用的材料和工艺有关，并不绝对。

磁芯的温升与磁芯损耗直接相关，如前所述，磁芯损耗主要由磁滞损耗和涡流损耗构成，对于粉芯类磁芯，由于磁材料间绝缘阻抗很大，涡流损耗几乎可以忽略不计（但热跑脱效应是由于涡流损耗越来越大引起）。磁滞损耗只与频率和交流磁通密度（磁滞回线面积）有关，与其直流工作点磁通密度关系不大，以下公式是MicroMetals公司铁粉芯磁芯损耗计算的经验公式：

其中为开关工作频率，B（单位Gauss）为一个开关周期内交流磁通密度的峰值，其为个开关周期内交流磁通密度峰峰值的一半（

）。a、b、c、d为常数，与材质有关，常用材质常数见下表。

Materials

a

b

c

d

-8

1.9×10e9

2.0×10e8

9.0×10e5

2.5×10e-14

-26

1.0×10e9

1.1×10e8

1.9×10e6

1.9×10e-13

-34

1.1×10e9

3.3×10e7

2.5×10e6

7.7×10e-14

-35

3.7×10e8

2.2×10e7

2.2×10e6

1.×10e-13

对于BUCK和DC-DC电感，稳态工作时，脉宽也基本稳定，所以B值很容易确定。但对于PFC、BOOST和INV电感，其脉宽一直是变动的，B值也一直是变动的，所以在一个工频周期内的瞬时损耗也是不定的，这时的损耗应以一个工频周期的平均值来衡量。

我们知道最大电流纹波发生在输入（或输出）是输出（或输入）电压一半的时候得到，其实此时也是瞬时交流磁通密度达到最大的时候，称之为，所以此时的瞬时损耗也达到最大。经过理论计算与实践检验，

其中K与电路拓扑以及输出电压调制比有关。

下图是半桥和全桥逆变拓扑的电压调整率与K的关系。

平均功率与峰值功率比和电压调整率关系图

目前BUS电压介于340V~400V间，所以电压调整率介于0.7~0.9间，由图可看出K介于0.35~0.6范围。

线圈（Coil）：

线圈的损耗是电流在导线电阻上产生的。电感中导线的电流通常包含工频或直流成分的低频电流和开关频率的高频电流。

磁损与铜损的比例：

磁芯的材料（除硅钢片较好外）通常是热的不良导体，热阻较高，而铜线是热的良导体，热阻很小。再加上通常用的环形磁芯都是线圈包住铁芯（内铁式）。因此线圈上的热量可以较磁芯上的热量更好地散发出去。为保证铁芯温度可以受控制，

5.3 原则三：电感的工艺要求可以达成

电感理论设计完成后，就需要考虑工程实现的问题了。

需考虑的工艺问题有：

1、电感线圈是否可绕得下

这个问题也是就电感铜窗利用率（有效绕线系数）的问题。

其中是有效导体面积，是磁芯的铜窗面积

对于大多数磁芯，绕线系数要求

2、线圈的绕法

电感线圈的绕法主要有循环式、往复式、渐进式三种。

循环式绕法是导线一直沿同一个方向绕制，多层导线之间相互叠压。

优点：可机器自动绕制，绕线系数高。

缺点：绕线起始端与结束端几乎没有间距，层间压差大，高压应用时易导致因压差过高而导线绝缘失效。

往复式绕法是导线绕完一层后反方向再绕下一层后，多层导线之间相互叠压。起始端与结束端有间距分开。

优点：可机器自动绕制；起始端与结束端有间距分开，可部分解决压差大导致的导线绝缘失效问题。

缺点：绕线起始端与结束端有间距分开，绕线系数不高。

渐进式绕法是导线由起始端沿一个方向绕到结束端，导线不分层。

优点：导线间压差小，绕线起始端与结束端有间距分开，适合高压应用。

缺点：需手工绕制，效率低，成本高；绕线零乱，绕线系数低。

实际应用时，需根据电感工作的电压来决定选用何种绕法，但由于渐进式绕法的效率低、成本高，非不得已不要选用。

3、误差的确定

由于磁芯材料的磁参数均有较大的分布误差，批次不同或厂商不同则差异可能更大，通常为±15％～25％，所以设计时需考虑在参数偏差时所造成的影响。

6 电感设计规范表

本文整理、转载自百度文库《电感元件设计规范标准》上传者：xnves36上传时间201909

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