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電感設(shè)計的原則
設(shè)計有許多限制條件，各自都對是否成功量產(chǎn)有直接影響,，本文是磁性元件設(shè)計教程的重要的一章,，主要介紹是什么在限制著電感,，高頻變壓器等磁性元件的設(shè)計。
原則一：電感不飽和（感值下降不超出合理范圍）
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(yīng)用除外，參看飽和電感及其在開關(guān)電源中的應(yīng)用一文）,，其工作曲線應(yīng)在飽和曲線以內(nèi),， Hdc 稱為直流磁場強度或直流工作點。
圖 1 磁芯在直流工作點下的磁滯回線
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(guān)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）。
圖 6.3 鐵粉芯的磁導(dǎo)率與直流磁場強度關(guān)系圖
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(zhuǎn)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(shè)計要求大紋波電流（ Ripple Current ）來決定（通常設(shè)計指標是大紋波電流百分比Rripple-percent ）,。
其中,，對于 BUCK 和 DC-DC 電感，其直流工作點（ IAVG ）相對恒定,，如圖
圖 6.4 BUCK&DC-DC 電感的電流波形圖
Rripple-percent=ΔImax/IavgΔImax是紋波電流峰峰值
這是在大直流工作點時,，所需的電感小感值
電感初始感值與大直流工作點下感值的關(guān)系
Lmin=Linitial×udc％
其中udc％與Hdc(Hdc=NIAVG/l)直接相關(guān)，只要計算出Hdc,，udc％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(shè)計,，在大直流工作點處,，udc％都不應(yīng)低于初始磁導(dǎo)率的 30 ％，否則將導(dǎo)致感值擺動太大而對控制器產(chǎn)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,。
圖 6.4 PFC&BOOST 電感的電流波形圖
此時，大紋波電流百分比Rripple-percent定義為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 拓撲的大紋波電流發(fā)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(yīng)的輸入瞬時電流。
同時,，在惡劣條件的大直流工作點下（低壓滿載輸入電流的峰值）,，udc％也都不應(yīng)低于初始磁導(dǎo)率的 30 ％。
對于 INV 電感,，電感的取值通?？纯刂破髂芊窨煽肯蘖鱽頉Q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(shù)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 電感的大直流工作點可以設(shè)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(shù)規(guī)格要求改變,，需要做相應(yīng)調(diào)整。
大直流工作點下,，udc％不應(yīng)低于初始磁導(dǎo)率的 30 ％,，否則很可能造成限流不可靠而損壞 INV 開關(guān)管。
感值確定后,，選擇恰當?shù)拇判?，查?guī)格可得其 AL 值，用以下公式就可算出匝數(shù),。
原則二：電感損耗導(dǎo)致的溫升在允許的范圍內(nèi)（考慮使用壽命）
電感主要由磁芯,、組成,，所以其溫度要求也由這兩方面的限制構(gòu)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(gòu)成,，目前使用多的是鐵粉芯,。鐵粉芯存在高溫老化導(dǎo)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(zhì)混合壓制而成,，絕緣介質(zhì)通常是高分子聚合物－樹脂類構(gòu)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(dǎo)致更高的溫升，這樣便形成了正反饋,，這稱為熱跑脫效應(yīng)（ Thermal Run away ）,。鐵粉芯磁芯的壽命便是由熱跑脫效應(yīng)決定的，其與溫度,、工作頻率和磁通密度都有關(guān)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(zhì)無高溫劣化問題,，磁芯便不會有熱跑脫效應(yīng)，這與各公司的使用的材料和工藝有關(guān),，并不,。
磁芯的溫升與磁芯損耗直接相關(guān)，如前所述,，磁芯損耗主要由磁滯損耗和渦流損耗構(gòu)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(yīng)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ΔB(磁滯回線面積）有關(guān)，與其直流工作點磁通密度Bdc關(guān)系不大,，以下公式是 MicroMetals 公司鐵粉芯磁芯損耗計算的經(jīng)驗公式：
其中f為開關(guān)工作頻率,， B （單位 Gauss ）為一個開關(guān)周期內(nèi)交流磁通密度的峰值，其為個開關(guān)周期內(nèi)交流磁通密度峰峰值的一半（ΔB=2B）,。a,b,c,d為常數(shù),，與材質(zhì)有關(guān)，常用材質(zhì)常數(shù)見下表,。
對于 BUCK 和 DC-DC 電感,，穩(wěn)態(tài)工作時，脈寬也基本穩(wěn)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(nèi)的瞬時損耗也是不定的，這時的損耗應(yīng)以一個工頻周期的平均值Pcore-loss-avg來衡量,。
我們知道大電流紋波發(fā)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大的時候，稱之為Bpeak,，所以此時的瞬時損耗也達到大,。經(jīng)過理論計算與實踐檢驗，發(fā)現(xiàn)惡劣條件下Pcore-loss-peak 與Pcore-loss-avg 有如下關(guān)系：