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降低電感磁芯損耗的方法

瀏覽次數:4719次 發(fā)布日期:2017-12-27

您是否有過(guò)為降壓穩壓器充電、進(jìn)行滿(mǎn)功率測試,隨后在進(jìn)行電感指端溫度測試時(shí)留下了永久(燙傷)印記的經(jīng)歷呢?或許過(guò)高的磁芯損耗和交流繞組損耗就是罪魁禍首。在 100-kHz 開(kāi)關(guān)頻率下,一般不會(huì )出現任何問(wèn)題,這是因為磁芯損耗約占總電感損耗的 5% 到 10%。因此,相應的溫升才是問(wèn)題所在。一般而言,選擇電感時(shí),只需計算出最大負載電流,通過(guò)容許 20% 紋波電流來(lái)建立電感。由于磁芯損耗微不足道,因此會(huì )出現類(lèi)似于產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中所示的溫升。然而,隨著(zhù)開(kāi)關(guān)頻率上升至 500 kHz 以上,磁芯損耗和繞組交流損耗可以極大地減少電感中的容許直流電流。使用 20% 紋波電流來(lái)計算電感,可帶來(lái)相同的磁芯材料通量激增,其與頻率無(wú)關(guān)。磁芯損耗方程式的一般形式為:

Pcore = K × F1.3。因此,如果頻率 (F) 從 100 kHz 升至 500 kHz,則磁芯損耗便為原來(lái)的 8 倍。圖 1 顯示了這種上升情況,還描述了隨磁芯損耗上升而下降的容許銅線(xiàn)損耗。100 KHz時(shí),大多數損耗存在于銅線(xiàn)中,同時(shí)利用全直流額定電流是可能的。更高頻率時(shí),磁芯損耗變大。由于總容許損耗由磁芯損耗與銅線(xiàn)損耗之和決定,因此銅線(xiàn)損耗必須在磁芯損耗上升時(shí)降低。這種情況一直持續到各損耗均相等。最佳情況是,在高頻率下?lián)p耗穩定保持相等,并允許從磁結構獲得最大輸出電流。

1 0.5 MHz以上,磁芯損耗大大降低了有效傳導損耗。圖 1 和圖 2 均基于固定磁芯體積和繞組面積,僅匝數可變。圖 2 顯示了圖 1 所示磁芯損耗的電感和容許直流電流。1.3 MHz以下時(shí),電感與開(kāi)關(guān)頻率成反比關(guān)系。電感在1.3 MHz 附近達到最小值。該頻率以上,則必須升高電感來(lái)限制磁芯通量,從而將磁芯損耗控制在總損耗的 50%。該電感的額定電流也同時(shí)被計算出來(lái)。低頻率時(shí),磁芯損耗并不大,額定電流由繞組的功率損耗決定。下列方程式中,匝數與頻率平方根的倒數成正比,因此頻率升高 2 倍(電感降低一半)得到 0.707 匝數。L = μ × A × N2/lm 這種情況會(huì )以?xún)煞N方式影響繞組電阻。匝數減少 30%,而每一匝的可用面積卻增加了41%。由于繞組電阻與匝數/匝面積相關(guān),因此電阻隨頻率上升而線(xiàn)性下降,例如:在本例中電阻下降 2 倍。較高頻率時(shí),磁芯損耗開(kāi)始限制容許銅線(xiàn)損耗,直到達到它們相等的點(diǎn)為止。在這一點(diǎn)上,通過(guò)增加更多匝數以及升高繞組電阻,使電感上升來(lái)降低通量。這樣,電感額定電流減少。因此,從電感尺寸角度來(lái)說(shuō)獲得了最佳頻率。

總之,增加開(kāi)關(guān)頻率會(huì )縮小磁芯尺寸的看法是正確的,但僅限于磁芯損耗和交流 繞組損耗等于銅線(xiàn)損耗的點(diǎn)上。過(guò)了這個(gè)點(diǎn),磁芯尺寸實(shí)際上會(huì )增加。另外,設計人員需要注意的是,在有許多高開(kāi)關(guān)頻率產(chǎn)品可供選擇的今天,一些相應應用手冊中并沒(méi)有清楚地注明過(guò)高磁芯損耗存在的一些潛在問(wèn)題。
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