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磁铁氧体磁芯电感的设计与选择

1磁性材料的选择

在选用磁性材料时，考虑的因素是工作开关频率、磁通密度、磁导率、损耗大小、工作环境及材料的价格。如果开关频率较低，可以考虑选择硅钢带和铁竦合金。硅钢带具有高的饱和磁通密度，而且价格低廉，是低频场合运用最为广泛的磁性材料，它的磁芯损耗取决于带的厚度和硅的含量，硅含量越高，电阻率越大，则损耗越小；铁竦合金具有极高的磁导率，极低的矫顽磁力，但是其电阻率比较低，只能用在低频场合，同时价格也比较高，通常用在工作环境温度高，体积要求严格的军工产品中。如果开关频率较高，可以考虑使用铁氧体和非晶态合金。铁氧体最高频率可以达到1MHz，而且电阻率高，高频损耗小，但是其饱和磁感应比较低，而且受温度影响大，在常温(25°C)的0.42T到100°C时的0.34T。铁氧体目前有多种材料和磁芯规格，而且价格比其它材料低，是目前开关电源中应用最为广泛的材料。非晶态合金适用于几十到几百kHz的工作频率，比铁氧体有更高的饱和磁感应和相对较高的损耗和温度稳定性，但是价格比较昂贵，而且磁芯的规格也不完善，适用于大功率或者耐受高温和冲击的军用场合。

2磁芯型号

目前磁芯有罐型、PM、RM、PQ、EE、EC、EP、ETD、RC、UU、和UI各种型号，以及新发展的平面磁芯，如EFD、EPC、LP型等磁芯。

罐型和PQ型磁芯有较小的窗口面积，减小7EMI传播，用于EMC要求严格的场合。但是其窗口宽度不是很大，只能用于125W以下的低功率场合。大功率应用散热困难。因为引出线缺口小，大电流出线困难，也不适用于高压场合，因为出线的安全绝缘处理困难。

EE、EC、ETD、LP磁芯都是E型磁芯，有较大的窗口面积，窗口宽而且高度低，漏磁及线圈层数少，高频交流电阻小。开放式的窗口没有出线问题，线圈与外界空气接触面大，有利于空气流通，散热方便，可以处理大功率，但电磁干扰大。

EC、ETD磁芯的中柱圆形截面与EE型相同矩形截面积时，圆形截面每匝线罔比矩形短大约11%，即电阻少11%，线圈的损耗和温升也相应降低，但是没有EE型磁芯的尺寸齐全，不能像EE型磁芯一样合并使用。

RM和PM磁芯比罐型有更大的出线窗口和好的散热条件，所以，可以传送更大的功率。RM磁芯有两种结构，有中心孔和没中心孔。在有些谐振电路中要求准确的调谐，使用带有中心孔的磁芯，在中心孔插入磁棒调节电感量，调节范围可以到达30%。但在功率磁芯中不采用，因为磁棒损耗大。

PQ型具有最佳的体积与辐射表面和线圈窗口面积比。因磁芯损耗正比于磁芯体积，而散热能力正比于辐射表面，该形状磁芯在给定输出功率下面有最小的温升，因此，在给定输出功率下体积最小。

LP、EFD、EPC型磁芯主要为平面变压器设计的。中柱长，漏感最小。但是，囚为体积小，磁通密度和磁场变化处处都是重要的区域，计算相当困难。

UU型和UI型主要用在高压和大功率的水平，很少用在lkW以下。他们比EE型有更大的窗口，可以用更粗的导线和更多的匝数。但磁路长度大，比EE型有更大的漏感。

对于环型磁芯，线圈均匀分布在整个磁芯上，杂散磁通和EMI扩散都很小，但是大功率绕线困难。

3磁芯尺寸

在磁芯材料和磁芯形状确定了以后，下一步工作就是估算磁芯尺寸。当功率比较小时，比较通用的方法是面积乘积法，它是磁芯截面积和线圈有效窗口面积的乘积。

3.1损耗不严重

当损耗不严重，经验公式如式(1)所列。

式中：AW为窗口面积；

Ae为磁芯截面积；

IF1为满载电流有效值；

Ip为最大峰值电流；

Bmax为磁芯的饱和磁感应强度。

3.2损耗严重

损耗严重时，经验公式如式(2)所列。

/I阡『4

/I阡『4M户

/I阡『4M户

式中：^Rmax为最大磁通密度摆幅；

K1及K2系数的取值如表l所列。

表1G及％和电感类型的关系

―应用 k —

I单线圈电感多线圈滤波电感Buck/Boost电感反激变换器

I单线圈电感多线圈滤波电感Buck/Boost电感反激变换器

IQ03

0.027

0.013

0,0085

().021

0,019

0_009

0.(X)6

这种方法计算出来的尺寸不是很准确，但是可以减少迭代的次数。在大功率条件下，上面公式不建议采用，应根据经验选择磁芯尺寸，然后根据磁芯尺寸算出匝数、气隙等各种参数，最后再校验设计的合理性。

4线圈匝数的计算

由安培环路定律，可得

Ni=HL=

Ni=HL=HQ+H/o

(3)

式中：H6为气隙磁场强度;

(4)

(4)

(5)

(6)

6为气隙长度；

Ho为磁芯磁场强度；

Lo为磁芯磁路长度。

由于空气的磁导率远低于磁芯的磁导率，所以，式(3)可以近似成为

NI—HL=HfS=

电感公式为

联立式(4)