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電感設計的三個原則

作者:時間:2019-11-29來源:收藏

原則一

本文引用地址:http://www.aejfsk.live/article/201911/407693.htm

由磁滯回線圖可以看出,H加大時,B值也同時增加,但H加大到一定程度后,B值的增加就變得越來越緩慢,直至B值不再變化(u值越來越小,直至為零),這時磁性材料便飽和了。通常電路中使用的電感都不希望電感飽和(特殊應用除外),其工作曲線應在飽和曲線以內,Hdc稱為直流磁場強度或直流工作點。

對于儲能濾波電感,由于需要承受一定的直流電流(低頻電流相對與高頻開關電流也可視為直流),也就是存在直流工作點Hdc不為零。磁芯需加氣隙才能承受較大的直流磁通,如下圖,所以該類電感通常選用鐵粉芯做磁芯(有分散氣隙)。

由于磁芯加了分布氣隙,其飽和過程就不是一個突變而是一個漸變的過程,所以電感的不飽和問題就轉化為電感感值在直流量下的合理下降問題。

對于PFC、BOOST、BUCK以及DC-DC電感,電感的取值通常由設計要求最大紋波電流(Ripple Current)來決定(通常設計指標是最大紋波電流百分比)。

其中,對于BUCK和DC-DC電感,其直流工作點(IAVG)相對恒定,如圖這是在最大直流工作點時,所需的電感最小感值。

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可從磁芯廠商提供的圖表或計算公式得到。通常,無論如何設計,在最大直流工作點處,都不應低于初始磁導率的30%,否則將導致感值擺動太大而對控制器產生不利影響。

對于PFC、BOOST電感,其直流工作點是50Hz/60Hz的工頻信號,并不固定,如下圖。

此時,最大紋波電流百分比定義為最大紋波電流與額定輸入電壓下的電感電流峰值之比。

注意,BOOST拓撲的最大紋波電流發生在輸入瞬時電壓為BUS電壓一半處,此時占空比為0.5。

注意,此處的直流工作點是輸入瞬時電壓為BUS電壓一半時對應的輸入瞬時電流。

同時,在最惡劣條件的最大直流工作點下(低壓滿載輸入電流的峰值),也都不應低于初始磁導率的30%。

對于INV電感,電感的取值通常看控制器能否可靠限流來決定。

由于INV電感需承受RCD等非線性沖擊負載,所以UPS通常有波峰因數比大于3:1的要求,考慮實際逆變限流會稍大于3:1,通常取到4:1,所以,INV電感的最大直流工作點可以設為4:1(4倍于額定負載下的電感電流有效值)。當然,若波峰因數規格要求改變,需要做相應調整。

最大直流工作點下,μdc% 不應低于初始磁導率的30%,否則很可能造成限流不可靠而損壞INV開關管。

感值確定后,選擇恰當的磁芯,查規格可得其AL值,用以下公式就可算出匝數。

原則二

電感損耗導致的溫升在允許的范圍內(考慮使用壽命)電感主要由磁芯、線圈組成,所以其溫度要求也由這兩方面的限制構成。

磁芯(Core)

儲能電感的磁芯有鐵粉芯、鐵硅鋁粉芯、鐵氧體等構成,目前使用最多的是鐵粉芯。鐵粉芯存在高溫老化導致失效的問題,其失效機理可解釋如下:鐵粉芯是由鐵磁性粉粒與絕緣介質混合壓制而成,絕緣介質通常是高分子聚合物-樹脂類構成,其在高溫下絕緣性能會慢慢劣化,鐵磁材料間的電阻會越來越小,從而磁芯的渦流損耗越來越大,大的損耗導致更高的溫升,這樣便形成了正反饋,這稱為熱跑脫效應(Thermal Run away)。鐵粉芯磁芯的壽命便是由熱跑脫效應決定的,其與溫度、工作頻率和磁通密度都有關系。目前公司使用較多的MicroMetals公司的鐵粉芯存在上述問題。但也需提醒的是,如絕緣介質無高溫劣化問題,磁芯便不會有熱跑脫效應,這與各公司的使用的材料和工藝有關,并不絕對。

磁芯的溫升與磁芯損耗直接相關,如前所述,磁芯損耗主要由磁滯損耗和渦流損耗構成,對于粉芯類磁芯,由于磁材料間絕緣阻抗很大,渦流損耗幾乎可以忽略不計(但熱跑脫效應是由于渦流損耗越來越大引起)。磁滯損耗只與頻率和交流磁通密度(磁滯回線面積)有關,與其直流工作點磁通密度關系不大,以下公式是某公司鐵粉芯磁芯損耗計算的經驗公式:

其中為開關工作頻率,B(單位Gauss)為一個開關周期內交流磁通密度的峰值,其為個開關周期內交流磁通密度峰峰值的一半()。為常數,與材質有關,常用材質常數見下表。

對于BUCK和DC-DC電感,穩態工作時,脈寬也基本穩定,所以B值很容易確定。但對于PFC、BOOST和INV電感,其脈寬一直是變動的,B值也一直是變動的,所以在一個工頻周期內的瞬時損耗也是不定的,這時的損耗應以一個工頻周期的平均值 Pcore-loss-avg 來衡量。

我們知道最大電流紋波發生在輸入(或輸出)是輸出(或輸入)電壓一半的時候得到,其實此時也是瞬時交流磁通密度達到最大的時候,稱之為,所以此時的瞬時損耗也達到最大。經過理論計算與實踐檢驗,發現最惡劣條件下 Pcore-loss-peak 與 Pcore-loss-avg 有如下關系:

其中K與電路拓撲以及輸出電壓調制比Vo_pp/2VBUS有關。

目前BUS電壓介于340V~400V間,所以電壓調整率介于0.7~0.9間,由圖可看出K介于0.35~0.6范圍。

線圈(Coil)

線圈的損耗是電流在導線電阻上產生的。電感中導線的電流通常包含工頻或直流成分的低頻電流和開關頻率的高頻電流。

磁損與銅損的比例

磁芯的材料(除硅鋼片較好外)通常是熱的不良導體,熱阻較高,而銅線是熱的良導體,熱阻很小。再加上通常用的環形磁芯都是線圈包住鐵芯(內鐵式)。因此線圈上的熱量可以較磁芯上的熱量更好地散發出去。為保證鐵芯溫度可以受控制

原則三

電感理論設計完成后,就需要考慮工程實現的問題了。

需考慮的工藝問題有:電感線圈是否可繞得下、線圈的繞法、誤差的確定。

電感線圈的繞法主要有循環式、往復式、漸進式三種。

●循環式繞法是導線一直沿同一個方向繞制,多層導線之間相互疊壓。優點是可機器自動繞制,繞線系數高。缺點是繞線起始端與結束端幾乎沒有間距,層間壓差大,高壓應用時易導致因壓差過高而導線絕緣失效。

●往復式繞法是導線繞完一層后反方向再繞下一層后,多層導線之間相互疊壓。起始端與結束端有間距分開。優點是可機器自動繞制;起始端與結束端有間距分開,可部分解決壓差大導致的導線絕緣失效問題。缺點是繞線起始端與結束端有間距分開,繞線系數不高。

●漸進式繞法是導線由起始端沿一個方向繞到結束端,導線不分層。優點是導線間壓差小,繞線起始端與結束端有間距分開,適合高壓應用。缺點是需手工繞制,效率低,成本高;繞線零亂,繞線系數低。

實際應用時,需根據電感工作的電壓來決定選用何種繞法,但由于漸進式繞法的效率低、成本高,非不得已不要選用。

由于磁芯材料的磁參數均有較大的分布誤差,批次不同或廠商不同則差異可能更大,通常為±15%~25%,所以設計時需考慮在參數偏差時所造成的影響



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