电感的设计
电流纹波定义
定义:电感电流交流量与直流量的比值
电流纹波率也可以用单位电感伏秒积的形式给出
Et是电感的伏微秒积
电流纹波率仅适用于连续导通模式,r的有效值取值范围为0-2,r=0,即纹波为0,那么L需要取∞,显然这种情况只存在于理想状态;r=2,即电感工作在临界导通模式,所谓临界导通模式,定义为Iac = Idc,可见下图这两种情况
为什么是先给出r呢?不给出L呢?
r实际设计上有有经验,一般是0.3~0.5之间,一旦确定r,给定工况和开关频率下的L值就确定了。
r的最优值
r=0.4时,对变压器的尺寸和其他元器件的应力(电压电流应力)都处于相较于其他值有更大的优势。下图虽然是以降压拓扑的电容电流为例,但其其能量曲线使用与所有拓扑,电容电流rms值随着r增加而增加。
是电感尺寸还是电感值
在磁芯上绕制不同匝数的线圈,就可以得到不同的电感值,所以电感值不一定与电感尺寸相关。但实际功率变换器中,它们经常相关。
因为工况确定的情况下,工况确定是指负载电流和输入输出电压确定,Idc也确定。这种情况下唯一能使r减小的方法就是让纹波更小,而纹波又是由伏秒积确定的,所以提高电感值来减小纹波,
但是一定量的纹波无疑是有益的。
例如,工况改变,如负载电流增加,那么Idc增加后,为了保持r值的最优,需要同比增加纹波,为此不得不减小L,而非增加L
频率对电感尺寸的影响
下面的讨论使用所有拓扑
其他量都不改变,开关频率加倍,则伏秒积加倍,因为ton和toff的时间减半了,既然△i可以用单位电感的伏秒积表示,那么它也会减半。由于Idc没变,r=△i/idc,所以r也会减半。
那么要重新吧r设置为最优值0.4,就需要吧L减半,那么所以电感尺寸变小了,电感处理能量的公式是1/2*L*Ipeak2,L减半,Ipeak不变。
所以认为电感尺寸与频率成反比
还要注意电感电应力与频率无关。
负载电流对电感值和尺寸的影响
若负载电流加倍,输入输出电压和占空比不变,r值减半,虽然△I没变,但是Idc加倍了,为了保持最优r,所以△I也应加倍,即L减半。
所以一般认为电感值与负载电流减半
电感尺寸与负载电流成正比,负载电流加倍,l减半,那么电感处理能量为1/2*L*(Ipeak)²加倍,Ipeak=Idc(1+r/2)=Idc+△I.
供应商如何标注成品电感的额定电流以及如何选择电感?
绝大多数供应商将默认Idc(最大允许通过的直流电流)=Isat(电感饱和:电感在磁芯饱和前允许通过的最大电流)
给定应用中需要考虑的电感电流额定值
以下6点因素可以影响开关的迅速关断,从而使其免受电感饱和的影响
使用电流I × L 和负载缩放法快速选择电感
1. L x I = 伏秒积/电流纹波率 (适用于所有拓扑)
2. 如果从应用条件中知道伏秒积,并设置了r的目标值,就能计算出L x I ,如果知道I 就能求出L,并且要知道L与I成反比
使用L×I快速选择电感的实例
基本的磁定义:研究磁芯中磁场的工作原理,一下采用MKS单位制"米-千克-秒"
1. H 磁场强度,(也成为磁场密度、磁化力、外加场),单位A/m
2. B 磁通密度,(也成为磁感应强度),单位是特斯拉(T)或者韦伯每平米(Wb/m^2)
3. 磁通量,是B在特定表面积上的积分,单位是韦伯(Wb)
4. B=uH,u是磁性材料的磁导率,实际上偏向写B=ucH,c是u的下标,uc=u*u0,u0是空气的磁导率
5. 磁通量与匝数成正比,电感量与L=N*φ/I,其中N为匝数,φ为磁通,I为流过线圈的电流,所以L与N^2成正比
7. 不要轻易增加匝数,对于B与I的公式,如上图。不增加尺寸,增加匝数时(尺寸表示:磁芯截面积的尺寸,A),L是正比于N^2,所以在增加匝数的同时,L比N增加的更快,当增加匝数而不增加尺寸时,B磁通密度的公式,分子比分母增加更快,导致B磁通密度暴涨,导致磁芯饱和,从而失效
8. 所以电感设计前提是:给定应用中,电感值越大,电感的尺寸就越大(尺寸指的的是中心磁柱截面积,缩写为A或Ae)
9.一般磁通密度B为0.3T及以上时。磁芯开始饱和
10.有两种单位制度,通用的为MKS(米-千克-秒),CGS(厘米-克-秒)
设计电感的一般步骤:
输入电压为宽电压的话如90-265vac,先选择“最恶劣的输入电压”开始设计,对于bulk拓扑Vinmax开始,对于升压或升降压,从Vinmin开始设计,因为这些电压都是电感峰值电流达到最大值对应的电压