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一款新型超級功率電感

發(fā)布時(shí)間:2019-08-01 10:42 分類(lèi):公司新聞 瀏覽次數:5334次

      近幾年隨著(zhù)國內電感原材料供應鏈的不斷完善,生產(chǎn)工藝的不斷改進(jìn),自2010年我國電感行業(yè)進(jìn)入了飛速的發(fā)展階段。但在近兩年也開(kāi)始呈現出了不少問(wèn)題,新進(jìn)入企業(yè)不斷增多,產(chǎn)能已開(kāi)始過(guò)剩,加上上游原材料價(jià)格、人工成本持續上漲,導致行業(yè)利潤已明顯降低。市場(chǎng)上各電感產(chǎn)品目前仍以follow美系、日系規格為主,而美系、日系品牌仍然占據主要的高端市場(chǎng)。因此,我國功率電感行業(yè)競爭日趨激烈。

      面對這一現狀,電感行業(yè)業(yè)內企業(yè)要積極應對,注重培養創(chuàng )新能力,不斷提高產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)及生產(chǎn)效率,不斷改良電感磁性材料及成品特性,并制定正確的發(fā)展策略以使企業(yè)在殘酷的競爭中取得領(lǐng)先優(yōu)勢。就目前市場(chǎng)上的大電流功率電感而言,現仍以一體成型電感,或扁平線(xiàn)組合式電感居多,產(chǎn)品結構及特性業(yè)已僵化,已無(wú)法滿(mǎn)足市場(chǎng)日益增長(cháng)的對產(chǎn)品特性及成本優(yōu)化的需求。

      下面就讓我們一起來(lái)認識一款新型的超級功率電感(FSIS系列),產(chǎn)品外觀(guān)圖如下: 

  

image.png


    有沒(méi)有第一眼就有點(diǎn)覺(jué)得產(chǎn)品整體美觀(guān)、上檔次!

    好,接下來(lái)我們先就功率電感的主要特性指標逐項進(jìn)行深入對比解析。

 

  1. 電感量

      電感量,簡(jiǎn)單講就是電感線(xiàn)圈阻礙電流通過(guò)的能力?,F市場(chǎng)上主要代表性的大電流功率電感如圖:


image.png

          * 圖4: 一體成型式+圓銅線(xiàn)圈 

          * 圖5:鐵硅合金磁芯+扁銅線(xiàn)圈 

           *圖6:功率錳鋅磁芯+扁銅線(xiàn)圈,按磁芯形狀主要為PQ、EQ系列。

       因電感量L=AL*N2,在A(yíng)L一定的條件下(下詳解),感值與線(xiàn)圈圈數的平方成正比。由于此三類(lèi)電感線(xiàn)材結構的天然特性,或加工成型工藝限制,線(xiàn)圈圈數有限,因此能提供的感量也有限。經(jīng)綜合產(chǎn)品尺寸及特性后,通常能提供的感量對比如下(表一):

                                  image.png

                                 * 注:表中IDC為溫升電流(Irms.)與飽和電流(Isat.)兩者最小值,取Isat.為1.3*Irms.或以上,且FSIS系列

                                          Isat.值通常取在加載Irms.時(shí)的熱測值(下詳解)。

      

       下面讓我們來(lái)剖析下這款FSIS超級功率電感的結構,如圖7:


                      image.png


         此大電流功率電感由外周全封閉的上磁芯、線(xiàn)圈、開(kāi)口的下磁芯、絕緣端子、焊接端子組成。線(xiàn)圈圈數無(wú)產(chǎn)品結構及成型工藝束縛(可多層繞制),且可自動(dòng)化加工預制,產(chǎn)品電感量可根據工程師的需要繞制。當然,需要同時(shí)折中考慮產(chǎn)品尺寸、電流大小來(lái)決定所選用的線(xiàn)徑及圈數(感值)。

         同時(shí)封閉的結構無(wú)磁漏,可以把磁場(chǎng)更緊密地約束在線(xiàn)圈周?chē)?,因而增大了電感量?/p>

 

  2.    阻抗

         電感的總阻抗:

                 Z=R+jX  (X=2πfL)

      X - 是電感的振蕩或儲能項,不消耗能量,所以不會(huì )引起發(fā)熱發(fā)燙的問(wèn)題。

      R - 是電感的消耗項,以焦耳熱的形式消耗,P=I*I*R ;

      R項由銅損和鐵損組成,銅損在高頻時(shí)主要由趨膚效應引起,(很低頻時(shí)實(shí)際上算DCR就可以了) ;鐵損跟磁材的 u“ 有關(guān),主要是磁滯損和渦流損;

磁滯損跟頻率一次方成正比,渦流損跟頻率二次方成正比;故此,在低頻(1MHz)時(shí),鐵損以磁滯損的貢獻最大;在磁滯曲線(xiàn)上,磁滯損就是H場(chǎng)和B場(chǎng)的乘積積分,簡(jiǎn)單一點(diǎn)說(shuō),就是磁滯曲線(xiàn)的面積。

          一旦選定合適的磁芯材料,鐵損的部份就無(wú)法有效降低或避免,剩下來(lái)的我們就重點(diǎn)討論銅損的因素了。當流經(jīng)電感的紋波電流頻率較高時(shí),我們不得不重視電流趨膚效應的問(wèn)題。 至于引起趨膚效應的原理,本文不做深入討論。粗線(xiàn)地講,趨膚效應會(huì )使導線(xiàn)的有效載面積減小,從而使它的等效電阻隨頻率增加。如在100KHZ左右,實(shí)際有效導電面積只有初始面積的70%。 有效地增加導電面積的辦法可以采用多股線(xiàn)來(lái)代替總載面積相同的實(shí)心導線(xiàn)。

          所以,在評估電感的損耗大小時(shí),工程師們不能只單純地比較DCR, 還應考慮導線(xiàn)的趨膚效應,與實(shí)際工作電流的頻率相關(guān)。FSIS系列電感便使用了單根線(xiàn)徑0.1mm的多股線(xiàn),并且直流電阻DCR比其它系列并不遜色,甚至在33uH以上比其它系列更優(yōu)(如表一)。相應地,在高頻條件下Q值表現更加優(yōu)異。

          當然,表一中的PQ系列是個(gè)特例。 通常地,市場(chǎng)上PQ系列均采用一固定扁平線(xiàn)圈(固定線(xiàn)材規格、圈數),然后根據不同感值需要來(lái)磨磁芯中柱。DCR固定且比較小,但犧牲了其它特性,無(wú)法提供較高感值(通常在33uH以下),且飽和電流很低。無(wú)耐也只有這種選擇,因為PQ磁芯的結構使得必須加大磁芯底厚,使得磁芯組合后的容納空間較少,也就不能容納更多圈數的繞組線(xiàn)圈了。

 

  3.    額定電流(IDC)

         通常電感的額定電流取溫升電流(Irms.)與飽和電流 (Isat.) 兩者的最小值。但,這并不夠嚴謹!我們先來(lái)看看兩者的定義。

         溫升電流(Irms.):使電感本體溫度相比環(huán)境溫度(標值通常取環(huán)境溫度為25℃時(shí)測量)上升30-40℃所通的最大直流電流值或最大交流有效電流值                                           (均方根值),即ΔT < 30-40℃。

 

         飽和電流 (Isat.):使電感感值下降20%-35% 時(shí)所通的最大直流電流值或最大交流有效電流值(均方根值),即ΔL < 20%-35%。

         飽和電流是一個(gè)重要的指標,一旦電感飽和,會(huì )在線(xiàn)路中產(chǎn)生噪音/雜訊,嚴重時(shí)會(huì )導致輸出能量達不到設計要求。通常開(kāi)關(guān)型變換器電感內部電流為  鋸齒波,飽和發(fā)生在一個(gè)充放電周期內,電流接近最高點(diǎn)位置,這時(shí),由于飽和導致電感量下降,電流充放電的斜率會(huì )迅速增加。如圖8,是電感飽和及未飽和情況的電流波形。

         作為一般的設計原則,務(wù)必要選取一個(gè)電感的飽和電流大于變換器的充電峰值電流。當電感的參數規格標注Irms. 與Isat. 接近時(shí),選用電感IDC時(shí)須要小心,一般取Isat. > 1.3* Irms. 比較合適。

                               image.png

       * 特別地,工程師需要考慮工作電流對電感溫升的影響。 當磁芯材料溫度升高時(shí),此時(shí)磁芯更容易飽和。熱飽和原理可遵循居里溫度定義。

 

電感磁性材料的居里溫度(表二):

Magnetics

Ferrite

Iron Powder

Hi-Flux

Sendust

MPP

磁性材料 

鐵氧體磁粉芯

純鐵粉芯

高磁通磁粉芯

鐵硅鋁磁粉芯

鎳鉬磁粉芯

居里溫度(℃)

215

750

500

600

400

        嚴謹地,電感設計時(shí)所求得的Isat. 應該是在模擬電感工作狀態(tài)下通電Irms. 且磁芯達到熱平衡條件下所測值。Isat.熱測值更具有指標性意義!這一點(diǎn)在設計FSIS系列電感時(shí)已有充分考慮。

 

  4.    噪音(buzz noise)

         電感噪音產(chǎn)生的根本原因是磁致伸縮。 

         磁致伸縮是鐵磁物質(zhì) (磁性材料)由于磁化狀態(tài)的改變,其尺寸在各方向發(fā)生變化。如同物質(zhì)有熱脹冷縮的現象。除了加熱外,磁場(chǎng)和電場(chǎng)也會(huì )導致物體尺寸的伸長(cháng)或縮短。鐵磁性物質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下,其尺寸伸長(cháng)(或縮短),去掉外磁場(chǎng)后,其又恢復原來(lái)的長(cháng)度,這種現象稱(chēng)為磁致伸縮現象(或效應)(如圖9)。

         由于磁致伸縮材料在磁場(chǎng)作用下,其長(cháng)度發(fā)生變化,可發(fā)生位移而做功,或在交變磁場(chǎng)作用可發(fā)生反復伸張與縮短,該振動(dòng)方式再經(jīng)由傳遞媒介(如繞組、空氣、BOBBIN等)放大,而且又在音頻(20~20KHZ)而引起的,所以我們感覺(jué)到了噪音。

                                                           image.png 

        電感噪音對工程師們一直是個(gè)頭痛的問(wèn)題。 噪音的發(fā)生基本上是無(wú)解的,沒(méi)辦法完全避免,不過(guò),卻可以經(jīng)由種種的方法去減輕,去降低,以及避開(kāi)音頻,來(lái)解決客戶(hù)的問(wèn)題,達到聽(tīng)不見(jiàn)為干凈的效果。一般以降低傳遞路徑的傳遞效果是最簡(jiǎn)單最有效的方法,如加強凡立水,加強點(diǎn)膠或封膠,讓線(xiàn)及電感結構更扎實(shí),或更換磁致伸縮或磁漏更少的磁芯材料等等。

        如果以上方法,還是聽(tīng)得見(jiàn)噪音,可考慮改變工作頻率,以減輕材料間的共振幅度(振幅越大,噪音越大),達到降低或避開(kāi)的方法。

        然而更換磁芯材料會(huì )很有可能犧牲產(chǎn)品設計特性或增加額外的成本,調整工作頻率也是一個(gè)繁瑣的系統工程,在工程師們花大量精力折中調整頻率后也不一定能達到降噪的效果。

        FSIS系列電感在一開(kāi)始設計時(shí)就考慮了降噪的問(wèn)題。將上磁芯設計成外周完全磁封閉狀,下磁芯底部側邊開(kāi)口(如圖7),并以上磁芯整體高度盡可能大于下磁芯高度,再磨上磁芯中柱取得儲能氣隙。通常,電感噪音主要經(jīng)由磁芯中柱氣隙中的空氣振動(dòng)傳出。該系列電感設計的磁芯內腔圓滑,聲波在近乎全封閉的、光滑的磁芯內圓腔內反復折射、振蕩后能量便逐漸消失。 如個(gè)別案例有少量的聲波在開(kāi)口處衍射出來(lái),便可在開(kāi)口處點(diǎn)膠使開(kāi)口縫隙變小,便達到“靜音”的效果。

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