鐵粉心濾波電感器的設(shè)計(jì)

DesignofChokeUsingIronPowderCores

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

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)＊

H％＊注：縱、橫數(shù)字相加代表直流磁化力H，其交點(diǎn)對應(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

?? 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％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

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(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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