铁硅铝磁芯BOOST电感的工程设计_电气应用 #51004_
铁硅铝磁芯BOOST电感的工程设计_电气应用 #51004_
2.1 电感量的确定 变换器的最大占空比为，
Dmax
= 1 − Vin _ min Vout
------------------------------（1）
各相的最大输入电流为，
Iin
=
Pout Vout ×φ
× 1−
1 Dmax
----------------------（2）
交，此磁芯的有效磁导率为初始磁导率的 62%，说明
Iin 时的电感量减少到 21.06× 62% = 13.06μ H 。
在此时的有效磁导率下，磁芯中的直流磁通密度
为 B = uo × ur × H × 62% -------------------------（7） B = 0.22T = 2200Gs ，远小于 Bs = 10500Gs 。
经过两次迭代计算，可以得到一个较理想的电感 量，在整个负载范围内其摆幅不超过 25%。如果经过 多次迭代仍然无法达到要求，可以考虑改用更大尺寸 及更小初始磁导率的磁芯。
H ac
=
N × KL × Iin l
---------------------------------（13）
Bac = uo × ur × Hac × 76% -------------------------（14）
则 Rdc = 6.82mΩ ， PCU = 0.64W
磁芯的峰值交流磁通密度为
6.82 ×1.235 = 8.423mΩ 。新的铜损耗为 0.793W， 新的电感总损耗为 4.085W，此温升为 56.5°C ，与第 一次计算的温升 ΔT = 54.3°C 差异不大，可以认为已
经达到了温升平衡。
电感在电路中的应用及常见的磁芯磁环
电感在电路中的应用及常见的磁芯磁环
电感在电路最常见的功能就是与电容一起，组成LC滤波电路。
我们已经知道，电容具有“阻直流，通交流”的本领，而电感则有“通直流，阻交流”的功能。
如果把伴有许多干扰信号的直流电通过LC滤波电路（如图），那么，交流干扰信号将被电容变成热能消耗掉；变得比较纯净的直流电流通过电感时，其中的交流干扰信号也被变成磁感和热能，频率较高的最容易被电感阻抗，这就可以抑制较高频率的干扰信号。
LC滤波电路
在线路板电源部分的电感一般是由线径非常粗的漆包线环绕在涂有各种颜色的圆形磁芯上。
而且附近一般有几个高大的滤波铝电解电容，这二者组成的就是上述的 LC滤波电路。
另外，线路板还大量采用“蛇行线＋贴片钽电容”来组成LC电路，因为蛇行线在电路板上来回折行，也可以看作一个小电感。
铁粉芯系列
材质有：-2材（红/透明）、-8材（黄/红）、-18材（绿/红）、-26材（黄/白）、-28材（灰/绿）、-33材（灰/黄）、-38材（灰 /黑）、-40材（绿/黄）、-45材（黑色）、-52材（绿/蓝）；尺寸：外径大小从30到400D（注解：外径从7.8mm到102mm）。
铁硅铝系列
主要u值有：60、75、90、125；尺寸：外径大小从3.5mm到77.8mm。
两种产品的规格除了主要的环形外，另有E形，棒形等，还可以根据客户提供的各项参数定做。
它们广泛应用于计算机主机板，计算机电源，电源供应器，手机充电器，灯饰变压调光器，不间断电源（UPS），各种家用电器控制板等。
300uh 30a电感方案
300uh 30a电感方案一、引言电感器作为电子设备中的重要元件，其性能的优劣直接影响到整个系统的稳定性。
在许多应用中，我们都需要用到大感值、大电流的电感器，例如电机驱动、逆变器等。
本文将重点探讨300uh 30a电感器的设计方案，以达到最优性能为目标，结合具体应用场景进行分析。
二、方案设计1. 材料选择首先，我们需要选择适合的磁芯材料。
考虑到300uh 30a的电感器需要具备较高的饱和磁感应强度和大电流处理能力，我们建议采用铁硅铝（FeSiAl）合金作为磁芯材料。
这种材料具有较高的磁导率、较低的损耗和良好的温度稳定性，能够满足大感值、大电流的应用需求。
2. 线圈设计线圈的设计对于电感器的性能至关重要。
在保证足够匝数以获得所需感值的同时，我们还需关注线圈的线径、绝缘层厚度等参数。
对于30a的大电流应用，建议采用粗线径的多层绕组设计，同时考虑采用合适的绝缘材料以增强线圈的电气绝缘性能。
3. 结构与封装结构与封装对于电感器的可靠性和稳定性至关重要。
我们需要确保电感器在高温、潮湿等恶劣环境下仍能保持稳定运行。
建议采用金属或塑封进行封装，以提高电感器的机械强度和耐环境性能。
同时，合理的结构设计能够减小电感器的体积和重量，使其更易于集成到各种电路中。
三、应用场景分析针对300uh 30a电感器的性能特点，其应用场景主要涉及大功率逆变器、电机驱动、UPS电源等领域。
在这些场景中，电感器需要承受较高的电流和电压应力，同时要求具备较小的体积和重量。
通过合理的方案设计，我们可以使电感器在这些场景中发挥出色的性能表现，为整个系统的稳定运行提供有力保障。
四、结论本文对300uh 30a电感器的方案设计进行了深入探讨，从材料选择、线圈设计、结构封装等方面进行了详细分析。
通过合理的方案设计，我们可以使电感器在大功率逆变器、电机驱动等应用场景中发挥出色的性能表现。
在实际应用中，我们还需要根据具体需求进行优化和调整，以满足不同场景下的性能要求。
如何在开关电源设计中选择最合适的高功率电感的磁芯
究竟是磁粉芯好，还是铁粉芯好？相信是许多工程师在进行开关电源方案的设计中经常碰到的疑问。
在高功率电感的磁芯选择问题上，磁芯、粉芯、铁硅铝以及铁氧体中的选择和比较是工程师经常探讨的问题。
市场上高功率电感的磁芯选择还是挺多的，可供选择的电感材料有：铁硅铝（Kool Mµ）、铁粉芯、铁硅（硅钢叠片）、间隙铁氧体、钼坡莫（MPP）和高磁通(High Flux)等。
那么他们究竟有什么特性适合怎么样的应用呢？磁芯材料比较铁硅铝与间隙铁氧体铁硅铝和间隙铁氧体是两种常用的材质，在软饱和方面，间隙铁氧体必须在下降曲线的安全区进行设计。
铁硅铝(Kool Mµ)被设计在受控制的下降曲线范围中，这样就能够提供好的容错特性，特别是在高功率时候。
在磁通量比较方面，假设特定的50％下降设计点，铁硅铝(Kool Mµ)的磁通量是间隙铁氧体的2倍以上, 这使磁芯的尺寸可缩小35％，设计时可以把磁芯的尺寸缩小30%至35%。
软饱和曲线使铁硅铝(Kool Mµ)设计本身具有容错能力，而间隙铁氧体则没有。
铁氧体磁能力随温度变化，而铁硅铝(Kool Mµ)保持相对稳定。
很多铁氧体供应商或者厂家会给出产品在25℃到100℃不同环境下材质的差异。
由于铁硅铝的材质及结构和间隙铁氧体不同，随着温度改变，变化不会很大。
在边缘损耗方面，铁硅铝(Kool Mµ)不会发生边缘损耗，而间隙铁氧体有很大的边缘损耗。
铁芯的间隙部分随着温度的增加损耗会增加。
铁硅铝(Kool Mµ)也有间隙，但是这是均匀的分布式间隙，因为这个形式，在高功率的应用上会更好。
对于尺寸和储能，从铁硅铝(Kool Mµ)与锰锌铁氧体在LI2值比较中可以看出，当尺寸都是55mm的大小，测试铁硅铝用60µ，铁硅铝(Kool Mµ)在体积大小的情况下，储能大概是锰锌铁氧体的2倍多，如表1所示。
BOOST电路设计与仿真
目录一. Boost主电路设计： (3)1.1占空比D计算 (3)1.2临界电感L计算 (3)1.3临界电容C计算（取纹波Vpp<2.2V） (3)1.4输出电阻阻值 (3)二. Boost变换器开环分析 (4)2.1 PSIM仿真 (4)2.2 Matlab仿真频域特性 (6)三. Boost闭环控制设计 (7)3.1闭环控制原理 (7)3.2 补偿网络的设计（使用SISOTOOL确定参数） (8)3.3 计算补偿网络的参数 (9)四．修正后电路PSIM仿真 (10)五．设计体会 (13)Boost变换器性能指标:输入电压：标准直流电压Vin=48V输出电压：直流电压Vo=220V 参考电压Vref=5V输出功率：Pout=5Kw输出电压纹波：Vpp=2.2V Vm=4V电流纹波：0.25A开关频率：fs=100kHz相位裕度：60幅值裕度：10dB一. Boost主电路设计：1.1占空比D计算根据Boost变换器输入输出电压之间的关系求出占空比D的变化范围。
1.2临界电感L计算选取L>Lc，在此选L=4uH1.3临界电容C计算（取纹波Vpp<2.2V）选取C>Cc，在此选C=100uF1.4输出电阻阻值Boost主电路传递函数Gvd（s）占空比d（t）到输出电压Vo（t）的传递函数为：二. Boost变换器开环分析2.1 PSIM仿真电压仿真波形如下图电压稳定时间大约1.5毫秒，稳定在220V左右电压稳定后的纹波如下图电压稳定后的纹波大约为2.2V电流仿真波形如下图电流稳定时间大约2毫秒，稳定在22A左右电流稳定后的纹波如下图2.2 Matlab仿真频域特性设定参考电压为5V，则，系统的开环传递函数为,其中，由上图可得，Gvd(s)的低频增益为-60dB，截止频率fc=196KHz，相位裕度--84.4，相位裕度过小，高频段是-20dB/dec。
系统不稳定，需要加控制电路调整。
boost 电感设计
PFC 电感计算通常Boost 功率电路的PFC 有三种工作模式：连续、临界连续和断续模式。
控制方式是输入电流跟踪输入电压。
连续模式有峰值电流控制，平均电流控制和滞环控制等。
连续模式的基本关系： 1. 确定输出电压U o输入电网电压一般都有一定的变化范围（U in ±Δ%），为了输入电流很好地跟踪输入电压，Boost 级的输出电压应当高于输入最高电压的峰值，但因为功率耐压由输出电压决定，输出电压一般是输入最高峰值电压的1.05~1.1倍。
例如，输入电压220V ，50Hz 交流电，变化范围是额定值的20%(Δ=20)，最高峰值电压是220×1.2×1.414=373.45V 。
输出电压可以选择390~410V 。
2. 决定最大输入电流电感应当在最大电流时避免饱和。
最大交流输入电流发生在输入电压最低，同时输出功率最大时ηmin max i o i U P I =(1)其中：o o o I U P =；)%100(min ∆-=in i U U －最低输入电压；η－Boost 级效率，通常在95%以上。
3. 决定工作频率由功率器件，效率和功率等级等因素决定。
例如输出功率1.5kW ，功率管为MOSFET ，开关频率70~100kHz 。
4. 决定最低输入电压峰值时最大占空度因为连续模式Boost 变换器输出U o 与输入U in 关系为)1/(D U U i o -=，所以oimimo p U U U D 2max -=(2)从上式可见，如果U o 选取较低，在最高输入电压峰值时对应的占空度非常小，由于功率开关的开关时间限制（否则降低开关频率），可能输入电流不能跟踪输入电压，造成输入电流的THD 加大。
5. 求需要的电感量为保证电流连续，Boost 电感应当大于 IfD U L p i ∆=maxmin 2 (3)其中：max 22i I k I =∆,k =0.15~0.2。
Boost电路参数的设计电感,电容
2 系统设计2、 1 Boost 升压电感的设计要想设计出性能优良的PFC 电路,除了IC外围电路各元件值选择合理外,还需特别认真选择Boost 升压储能电感器。
它的磁性材料不同,对PFC 电路的性能影响很大,甚至该电感器的接法不同,且会明显地影响电流波形;另外,驱动电路的激励脉冲波形上升沿与下降沿的滞后或振荡,都会影响主功率开关管的最佳工作状态。
当增大输出功率到某个阶段时,还会出现输入电流波形发生畸变甚至出现死区等现象。
因此,在PFC 电路的设计中,合理选择Boost PFC 升压电感器的磁心与绕制电感量就是非常重要的。
电感值的计算以低输入电压Uin(peak) 与对应的最大占空比Dmax时保证电感电流连续为依据,计算公式为:式中Uin(peak)———低输入交流电压对应的正弦峰值电压,VDmax———Uin(peak) 对应的最大占空比ΔI———纹波电流值,A; 计算时,假定为纹波电流的30%fs———开关频率,Hz占空比的计算公式为:若输入交流电压为220 V( 最低输入电压为85 V),输出直流电压为390 V,开关频率为fs =50 kHz,输出功率Po =350 W,则可计算得到Dmax =0、78,纹波电流为1、75 A,从而求得电感值L3 =713 μH,实际电感值取为1 mH。
由于升压电感工作于电流连续模式,需要能通过较大的直流电流而不饱与,并要有一定的电感量,即所选磁性材料应具有一定的直流安匝数。
设计中,升压电感器采用4 块EE55 铁氧体磁心复合而成,其中心柱截面气隙为1、5 mm,Boost 储能电感器的绕组导线并不用常规的多股0、47 mm漆包线卷绕,而就是采用厚度为0、2mm、宽度为33 mm 的薄红铜带叠合,压紧在可插4 块EE55 磁心的塑料骨架上,再接焊锡导线引出,用多层耐高压绝缘胶带扎紧包裹。
去消用薄铜带工艺绕制的Boost 储能电感,对减小高频集肤效应、改善Boost 变换器的开关调制波形、降低磁件温升均起重要作用。
电力电子电路常用磁芯元件的设计
电力电子电路常用磁芯元件的设计一、常用磁性材料的基本知识磁性元件可以说是电力电子电路中关键的元件之一，它对电力电子装置的体积、效率等有重要影响，因此，磁性元件的设计也是电力电子电路系统设计的重要环节。
磁性材料有很多种类，特性各异，不同的应用场合有不同的选择，以下是几种常用的磁性材料。
1．低碳钢低碳钢是一种最常见的磁性材料，这种材料电阻率很低，因此涡流损耗较大，实际应用时常制成硅钢片。
硅钢片是一种合金材料（通常由97%的铁和3%的硅组成），它具有很高的磁导率，并且每一薄片之间相互绝缘，使得材料的涡流损耗显著减小。
磁芯损耗取决于材料的厚度与硅含量，硅含量越高、电阻率越大。
这种材料大多应用于低频场合，工频磁性元件常用这种材料。
2．铁氧体随着工作频率的提高，对磁芯损耗的要求更高，硅钢片由于制造工艺的限制，已经很难满足这种要求，铁氧体就是在这种形势下出现的。
铁氧体是一种暗灰色或者黑色的陶瓷材料。
铁氧体的化合物是MeFe2O4，这里Me代表一种或几种二价的金属元素，例如，锰、锌、镍、钴、铜、铁或镁。
这些化合物在特定的温度范围内表现出良好的磁性能，但是如果超出某个温度值，磁性将失去，这个温度称为居里温度（T c）。
铁氧体材料非常容易磁化，并且具有相当高的电阻率。
这些材料不需要像硅钢片那样分层隔离就能用在高频的应用场合。
高频铁氧体磁性材料主要可分为两大类：锰锌（MnZn）铁氧体材料和镍锌（NiZn）铁氧体材料。
比较而言，NiZn材料的电阻率较高，一般认为在高频应用场合下具有较低的涡流损耗。
但是最近的研究表明，如果颗粒的尺寸足够小而且均匀，在几兆赫兹范围内MnZn材料显示出较NiZn材料更为优越的特性，例如，TDK公司的H7F材料以及MAGNETICS公司的K材料就是采用这种技术，适用于兆赫兹工作频率下工作的新型铁氧体材料。
3．粉芯材料粉芯材料是将一些合金原料研磨成精细的粉末状颗粒，然后在这些颗粒的表面覆盖上一层绝缘物质（它用来控制气隙的尺寸，并且降低涡流损耗），最后这些粉末在高压下形成各种磁芯形状。
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功 率 二 极 管 选 用 STPS20H100 ， 其 导 通 压 降
则
J
=
3.2
A mm2
，远小于通常选择的电流密度
(4 ~ 9) A / mm2 ，可以进一步降低绕组的温升。
式中 AS --未绕线圈的磁芯表面积（ cm2 ），则
ΔT = 54.3°C 。由于磁芯损耗占主导地位，主要是由
于电感纹波电流较大，但此损耗基本上在允许的范围 之内，由于三相交错并联 BOOST 的优良特性，基本 上不会影响变换器的性能[2]。
Lp
N = Lmain ------------------------------------------（5） AL
取 N = 18 ，实际电感量为182 × 65nH = 21.06μ H 。 平均磁路长度为 l = 5.67cm ，则最大输入电流时
Lmain 为目标电感量 20μ H ，Lp 为实际电感量，而 N '
Key words： SENDUST CORE；Boost converter；Iterative calculation
1．引言 大电流滤波电感可使用铁氧体磁芯、铁粉芯及合
金磁芯。但是如果输出电流进一步变大，铁氧体磁芯 的磁通密度会逐渐达到饱和，而铁粉芯的磁芯损耗也 将变得更大。在这种情况下，主电感使用铁硅铝磁芯 将是合适的选择，其饱和磁通密度更大，而价格却更 为低廉。
Aw = 1.49cm2 ，考虑到导线绝缘及胶带均占有面积，
设定充填系数为 50%，则单股导线可用截面积为，
Aline
=
Aw / 2 N
----------------------------------（9）
则 Aline = 3.24mm2 ，使用 AWG #16 双线并绕，
则 pL = 1.444×103 mW / cm3 。 77351 磁 芯 的 体 积 Ve = 2.28cm3 。所以磁芯损耗为，
Abstract：The iron powder core is widely applied on the filtering inductance of large DC current because of high saturate flux density. But much large core losses of sendust core is the one of the disadvantages. On comparison, the sendust core not only have all advantages of iron core, but the core losses is smaller. So it is very well suitable for the application of filtering inductance. For engineering application, the design process with sendust core is introduced in the paper, and iterative calculaton is also pointed out as the key process of optimizing parameters.
因而可以通过增加匝数来增大电感量，但会增加
磁场强度，因而可用另一个低 μ 磁芯迭代计算。
2.2 初始计算 Magnetics 公司的磁芯选择曲线如图 1 所示[1]，
由 电 感 所 要 存 储 的 能 量 （ 为 实 际 值 的 2 倍 ），
E = Lmain × Iin2 ---------------------------------------（4）
率 μr = 90 ，电感系数 AL = 65nH ，得
满载时的有效磁导率是初始磁导率的 78%，实际的电
感量为 51nH × 202 × 78% = 15.9μ H ，为了达到满载 时的目标值 20μ H ，则调整后的匝数为 N = Lmain × N ' ------------------------------------（8）
则电感的感量为，
Lmain
=
Vin _ min × Dmax Iin × KL × fsw
-------------------------（3）
其中 KL 为电感电流纹波系数，由于采用三相交
错并联结构，可选为最大输入电流的 45%。
Iin = 9.7 A ； Dmax = 0.7 ； Lmain = 20μ H 。
PCORE = 3.3W
则此电感的总损耗为：
PTOT = PCU + PCORE = 3.9W
再使用以下公式计算温升[1]，
AWG #16 包含绝缘时的面积为 A#16 = 1.52mm2 ，则
实际的电流密度为，
ΔT = ( PTOT )0.833 1.8× AS
J = Iin ----------------------------------（10） 2 × A#16
交，此磁芯的有效磁导率为初始磁导率的 62%，说明
Iin 时的电感量减少到 21.06× 62% = 13.06μ H 。
在此时的有效磁导率下，磁芯中的直流磁通密度
为 B = uo × ur × H × 62% -------------------------（7） B = 0.22T = 2200Gs ，远小于 Bs = 10500Gs 。
电感采用 Magnetics 公司铁硅铝磁粉芯材料，其
磁导率随磁场强度不同而变化[3]，轻载和重载时不同
的电感量会对闭环设计造成影响，因此依照经验选定
电感在整个负载范围内摆幅不超过 25%。
的磁场强度为 H = N × Iin -----（6） l
则 H = 3080A / m = 38.7Oe 。 图 2 中[3]曲线 μr = 90 与纵坐标 H = 38.7Oe 相
μr = 60 的磁芯，每 cm3 损耗的表达式[1]为，
pL
=
B 2.00 ac
----------------（15）
式中的单位为，B—kGs；F—KHz，
2.4 损耗与温升的计算 由 [4] 得 到 77351 的 线 圈 窗 口 面 积 为
2．铁硅铝磁芯主电感的工程设计 由于交错并联的三套主电路完全对称，因而每相
的主电感均相同，以下仅选择其中一相作为例子。 此变换器的基本电气参数为：输出功率
Pout = 580W ；输出电压Vout = 66V ；最低输入电压
Vin _ min = 20V ；最高输入电压 Vin _ max = 60V ；开关
关键词：铁硅铝磁芯；BOOST 变换器；迭代计算
Engineering Design of Boost Inductance with Sendust Core Hu Yan-shen, Xie Yun-xiang
(Astec Power Lab, College of Electric Engineering, South China University of Technology, Guangzhou, Guangdong 510640 )
经过两次迭代计算，可以得到一个较理想的电感 量，在整个负载范围内其摆幅不超过 25%。如果经过 多次迭代仍然无法达到要求，可以考虑改用更大尺寸 及更小初始磁导率的磁芯。
H ac
=
N × KL × Iin l
---------------------------------（13）
Bac = uo × ur × Hac × 76% -------------------------（14）
11.941A；波谷值为 7.717A；功率开关管的电流有效 值为 8.269A；功率二极管的电流有效值为 5.452A， 其电流平均值为 2.979A。
功率开关管选用 IRFB4710，其 DS 导通电阻
Rds(on) = 14mΩ ； Qg = 170nC ； COSS = 440 pF ； tr = 130ns ； t f = 38ns 。可得到导通损耗为 1.68W；
再次计算磁场强度， H = 41.46Oe ，
再由图 2，曲线 μr = 60 与 H = 41.46Oe 相交，
图 1 存储能量—磁芯型号对应曲线
图 1 Magnetics 公司的磁芯选择曲线
在图 1 上由 E = 1.88mJ 与初始磁导率为 90 的磁
芯相交，暂选定型号为 77314。由[4]可知，初始磁导
第一次计算的温升为 ΔT = 54.3°C ，于是电阻将 乘以一个系数1.003954.3 = 1.235 ，铜线的为正温度系 数 为 0.39% / °C ， 于 是 环 境 温 度 为 (20 + 54.3) = 74.3°C 下 的 电 阻 是
线圈的铜损为，
PCU = Iin2 × Rdc -----------------------------------（12）
为 Lp 时的匝数。因而 N = 23 ，此时的磁场强度为， H = 3795A / m = 47.68Oe ，有效磁导率近似是初始
磁导率的 76%，实际电感量为，
Lmain = 51× 232 × 76% = 20.5uH
磁芯中的直流磁通密度为，
B = 3795× 60× 4π ×10−7 × 76% = 0.217T = 2170Gs
频率 fsw = 150KHz ；交错并联的相数φ = 3 。
2.1 电感量的确定 变换器的最大占空比为，
Dmax
= 1 − Vin _ min Vout
------------------------------（1）