电感种类和特性分析及选型指南

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电感种类和特性分析及选型指南

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电感器是开关转换器中非常重要的元器件，如用于储能及功率滤波器。电感器的种类繁多，例如用于不同的应用（从低频到高频），或因铁芯材料不同而影响电感器的特性等等。用于开关转换器的电感器属于高频的磁性组件，然而因材料、工作条件（如电压与电流）、环境温度等种种因素，所呈现的特性和理论上差异很大。因此在电路设计时，除了电感值这个基本参数外，仍须考虑电感器的阻抗与交流电阻和频率的关系、铁芯损失及饱和电流特性等等。本文将介绍几种重要的电感铁芯材料及其特性，也引导电源工程师选择市售标准的电感器。
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: r4 w9 ~+ Z# I. C/ j# h  R% j前言电感器（inductor）是一种电磁感应组件，用绝缘的导线在绕线支架（bobbin）或铁芯（core）上绕制一定匝数的线圈（coil）而成，此线圈称为电感线圈或电感器。根据电磁感应原理，当线圈与磁场有相对运动，或是线圈通过交流电流产生交变磁场时，会产生感应电压来抵抗原磁场变化，而此抑制电流变化的特性就称为电感（inductance）。
电感值的公式如式（1），其与磁导率、绕组匝数N的平方、及等效磁路截面积Ae成正比，而与等效磁路长度le成反比。电感的种类很多，各适用于不同的应用之中；电感量与线圈绕组的形状、大小、绕线方式、匝数、及中间导磁材料的种类等有关。
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电感依铁芯形状不同有环型（toroidal）、E型（E core）及工字鼓型（drum）；依铁芯材质而言，主要有陶瓷芯（ceramic core）及两大软磁类，分别是铁氧体（ferrite）及粉末铁芯（metallic powder）等。依结构或封装方式不同有绕线式（wire wound）、多层式（multi-layer）及冲压式（molded），而绕线式又有非遮蔽式（non-shielded）、加磁胶之半遮蔽式（semi-shielded）及遮蔽式（shielded）等。
7 P% T% b: S+ q; B电感器在直流电流如同短路，对交流电流则呈现高阻抗，在电路中的基本用途有扼流、滤波、调谐、储能等。在开关转换器的应用中，电感器是最重要的储能组件，且与输出电容形成低通滤波器，将输出电压涟波变小，因此也在滤波功能上扮演重要角色。
本文将介绍电感器的各种铁芯材料及其特性，也将介绍一些电感器之电气特性等，以作为电路设计时，挑选电感器的重要评价参考。在应用实例中，将透过实际范例介绍如何计算电感值，及如何挑选市售标准的电感器。
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: _8 ], ~3 E& h% h( G2 `4 n铁芯材料之种类用于开关转换器的电感器属于高频磁性组件，中心的铁芯材料最是影响电感器之特性，如阻抗与频率、电感值与频率、或铁芯饱和特性等。以下将介绍几种常见的铁芯材料及其饱和特性之比较，以作为选择功率电感的重要参考：

. c  ]" r% o5 ~- s; j1. 陶瓷芯陶瓷芯是常见的电感材料之一，主要是用来提供线圈绕制时所使用的支撑结构，又被称为「空芯电感」（air core inductor）。因所使用的铁芯为非导磁材料，具有非常低的温度系数，在操作温度范围中电感值非常稳定。然而由于以非导磁材料为介质，电感量非常低，并不是很适合电源转换器的应用。
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+ c8 m: ]; f: [6 F! K2. 铁氧体一般高频电感所用的铁氧体铁芯是含有镍锌（NiZn）或锰锌（MnZn）之铁氧体化合物，属于矫顽磁力（coercivity）低的软磁类铁磁材料。图1为一般磁铁芯之磁滞曲线（B-H loop），磁性材料的矫顽磁力HC亦称为保磁力，系指当磁性材料已磁化到磁饱和后，使其磁化强度（magnetization）减为零时所需的磁场强度。矫顽力较低代表抵抗退磁能力较低，也意味着磁滞损失较小。
锰锌及镍锌铁氧体具有较高的相对磁导率（relative permeability；μr），分别为约1500～15000及100～1000，其高导磁特性使得铁芯在一定体积下可有较高的电感量。然而，缺点是其可耐受的饱和电流较低，且铁芯一旦饱和，磁导率会急遽下降，可参考图4所示铁氧体与粉末铁芯在铁芯饱和时磁导率下降趋势的比较。当用于功率电感时，会在主磁路留气隙（air gap），可降低磁导率、避免饱和及储存较多能量；含有气隙时的等效相对磁导率约可在20-200之间。由于材料本身的高电阻率可降低涡电流（eddy current）造成的损耗，因此在高频时损失较低，较适用于高频变压器、EMI滤波电感及电源转换器的储能电感。以操作频率而言镍锌铁氧体适合用在（＞1 MHz），而锰锌铁氧体适用于较低的频段（＜2 MHz）。

图1、磁铁芯之磁滞曲线（BR：剩磁；BSAT：饱和磁通密度）
* t) \# C$ t- T; j  ]3. 粉末铁芯粉末铁芯亦属于软磁类铁磁材料，是由不同材料的铁粉合金或只有铁粉所制成，配方中有颗粒大小不同的非导磁材料，因此饱和曲线较为缓和。粉末铁芯多以环型（toroidal）呈现居多，如图2所示为粉末铁芯及其截面图。

图2、粉末铁芯之截面图
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常见的粉末铁芯有铁镍钼合金（MPP）、铁硅铝合金（Sendust）、铁镍合金（high flux）及铁粉芯（iron powder）等。因所含成分不同，其特性及价格也有所不同，因而影响电感器的选择。以下将分别介绍前述之铁芯种类并比较其特性：
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A. 铁镍钼合金（MPP）铁镍钼合金简称MPP，是molypermalloy powder的缩写，相对磁导率约14～500，饱和磁通密度约7500高斯（Gauss），比铁氧体的饱和磁通密度（约4000～5000高斯）高出许多。MPP具有最小的铁损，在粉末铁芯中，温度稳定性最好。当外加直流电流达饱和电流ISAT时，电感值缓慢降低，不会急剧衰减。MPP的性能较佳，但成本较高，通常作为电源转换器之功率电感及EMI滤波之用。
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# o$ u. Y' v. V0 ~5 A+ G0 DB. 铁硅铝合金 (Sendust)铁硅铝合金铁芯是由铁、硅、及铝组成之合金铁芯，相对磁导率约26～125。铁损介于铁粉芯与MPP及铁镍合金之间。饱和磁通密度比MPP高，约10500高斯。温度稳定性及饱和电流特性比MPP及铁镍合金稍微逊色，但较铁粉芯及铁氧体铁芯为佳，相对成本较MPP及铁镍合金便宜。多应用于EMI滤波、功因修正（PFC）电路及开关电源转换器之功率电感。

C. 铁镍合金（high flux）铁镍合金铁芯是由铁及镍组合而成，相对磁导率约14～200，铁损及温度稳定性均介于MPP及铁硅铝合金之间。铁镍合金铁芯的饱和磁通密度最高，约15000高斯，且可耐受直流偏置电流较高，其直流偏置特性也较好。应用范围有功因修正、储能电感、滤波电感、返驰式转换器之高频变压器等。
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D. 铁粉芯（iron powder）铁粉芯是由颗粒非常小、彼此间绝缘的高纯度铁粉颗粒制成，制作过程使其具有分布式的气隙。常见的铁粉芯之形状除了环型外，尚有E型及冲压式。铁粉芯之相对磁导率约10～75，约15000高斯之高饱和磁通密度。在粉末铁芯中，铁粉芯的铁损最高，但成本最低。

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3 m: d! m* C. F& ~# e) T	铁镍钼 # t4 f  j0 s4 r  S: P2 T2 K	铁镍合金 3 a' \  n8 s  D, {' H	铁硅铝合金	铁粉芯
铁损 8 u0 d2 _% `9 _	最低 ; O" Y) B6 z  i: s  Q	适中	低 - h/ `% Z% \# C; h+ D- D; p& }	高 : o! X' y8 j9 v% v# F
直流偏置特性	较好	最好 * D6 n( l$ j! K( c, {% y/ |* S	良好	普通
饱和磁通密度(Gauss)	7,500 ) Y; h; q$ K6 }2 }: x$ B% z	15,000	10,500	15,000
相对磁导率	14-550 & b1 \: U& [1 _* N, i, u	14-200 0 J8 Q5 q6 j4 r3 G" g	26-125	10-75 ' t5 X" q) g+ q, m7 Z* k
相对成本	高	中等	低 5 K% q  P5 w9 t( @	最低 0 k; w5 U+ v6 Q4 b- @9 Y
温度稳定性	最好	较好 ) F+ k% J9 D$ w. G; j' }) x+ v) z  W- |; K	良好 : U6 {! z9 i) S  L/ p	差 * Z* y0 g" a; Z0 d+ G" q
实体图		+ W+ S% M! }: c/ O7 K		7 U5 |, F% \2 L/ c

表1粉末铁芯特性之比较
+ N3 k4 b2 C9 e7 ~9 U6 _- w( f表1列出了以上四种粉末铁芯之比较。以实际应用而言，其中之铁硅铝合金的特性在各方面均不错，相对成本低，具有高性价比，因此常被用于EMI滤波电感。
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