电感的前世今生

2020/5/31 15:44:01 人评论 次浏览 分类:学习教程

什么是电感

电感(Inductor, 也称Choke)是能够把电能转化为磁能而存储起来的元件。电感器的结构类似于变压器(Transformer),但只有一个绕组(Winding)。电感具有一定的电感(inductance),它只阻碍电流(Current)的变化。如果电感器在没有电流通过的状态下,电路接通时它将试图阻碍电流流过它;如果电感器在有电流通过的状态下,电路断开时它将试图维持电流不变。电感又称扼流器、电抗器、动态电抗器等等。

电感的代码为L, 在电路图中的符号为:

电感的原理

电感是一种能将电能通过磁通量的形式储存起来的被动电子元件。通常为导线卷绕的样子,当有电流通过时,会从电流流过方向的右边产生磁场。

法拉第电磁感应定律说,变化的磁场同时产生电压和电流。那么,如果线圈中的电流是变化的,造成了磁场的变化,(也就是一般的交流电或者高频电流)线圈会发生什么变化呢?

交流电是指随时间推移电流大小和方向会发生周期性变化的电流。当交流电通过电感时,电流产生的磁场将其他的绕线切隔,形成变化的磁场,因而产生反向电压(Voltage),从而阻碍电流变化。特别是当电流突然增加时,变化的磁场会产生一个和电流相反方向的(即电流减少方向)的电压,来阻碍电流的增加。反之当电流减少时,则向电流增加的方向产生一个电压来阻碍电流的减少。

另一方面,直流电由于电流不会发生变化,就不会发生反向电压。也就是说,如果在不考虑线圈电阻值(Resistance很小)的情况下,
电感器是可以让直流电通过,对于直流的阻抗(Impedance)很小,而通不过交流电的元器件。不过,在直流进行切断的时候,也就是电流瞬间巨变的时候,电感会产生一个非常大的反向电压。这个反向电压特性也是现在电力电子能源转换的基础,这个我们会在后面做详细讨论。

电感的结构

电感的结构主要由线圈绕组(Coil/Winding)和磁芯(Core),以及辅助的支撑封装材料组成。

线圈(Winding/Coil)主要起导电作用,目前通用的是铜线和铝线。铜线的导电性能比较好,损耗低,但是价格和重量相对较高。铝线圈的价格和重量低,但是因为导电性能一般而损耗高。传统工艺中,铝线与焊锡的结合不是很稳定,但是在现代工艺中已经得到解决。

磁芯(Core)是由一些比空气的磁导率(Permeability)高的材料组成,把磁场更紧密地约束在电感元件周围,因而增大了电感。实际上好的磁芯是帮助电感将能量更方便的存储在更小的空间中,因此好的磁芯对于电感性能的变化非常重要。

磁芯是指由各种氧化铁混合物组成的一种烧结磁性金属氧化物。磁芯的发展经历了由传统的硅钢片(Laminated silicon steel),到铁粉(Iron powder), 铁氧体(Ferrite), 铁硅(FeSi), 铁镍钼(Kool-Mu/Sendust), 非晶合金(amorphous alloy)等变化。 选择合适的磁芯,最重要的是考虑不同的B-H曲线和频率特性。特别是,B-H曲线决定了电感的高频损耗,饱和曲线(Saturation)及电感量(Inductance).

磁芯从形状又可以分成,圆柱型(Cylindrical), “C”/“U”型,”E”型,”EI”型,PQ型,环型(Toroidal)等等。

电感的分类
自感与互感

一般来说,电感只有一个绕组线圈,这个时候的电感又称为单相电感(single phase inductor),或者自感(self-inductance)自感. 它的自感量又称为自感系数。

有些时候电感也会有多个线圈,而线圈之间会影响的时候,就出现了互感。他们之间的感应关系也成为互感系数。

互感有一种特殊的应用叫做共模电感(Common Mode Inductor)。 共模电感(Common Mode Choke),也叫共模扼流圈,是在一个闭合磁环上对称绕制方向相反、匝数相同的线圈。理想的共模扼流圈对L(或N)与E之间的共模干扰具有抑制作用,而对L与N之间存在的差模干扰无电感抑制作用。但实际线圈绕制的不完全对称会导致差模漏电感的产生。信号电流或电源电流在两个绕组中流过时方向相反,产生的磁通量相互抵消,扼流圈呈现低阻抗。共模噪声电流(包括地环路引起的骚扰电流,也处称作纵向电流)流经两个绕组时方向相同,产生的磁通量同向相加,扼流圈呈现高阻抗,从而起到抑制共模噪声的作用。

单相与三相

一般的电感都是只有一组输入输出,主要用于单相(Single-Phase),或者直流变换的用途。但是,出于体积的成本的考虑,在三相系统中,也有三相耦合的三相电感(Three Phase Inductor)。

除上之外,电感按照频率可以分成高频电感和低频电感;按照封装可以分为,PCB贴片电感,直插式电感,灌胶电感和独立电感;按照冷却方式可以分为,自然冷却(Natural Convection),风扇冷却(Forced Air Cooling)和液态冷却(Liquid Cooling)。

电感特性及设计参数
电感量(Inductance)

电感量也称自感系数,是表示电感器产生自感应能力的一个最重要的参数。电感量的基本单位是亨利(简称亨),用字母“H”表示。常用的单位还有毫亨(mH)和微亨(μH),它们之间的关系是:1H=1000mH,1mH=1000μH.

电感器电感量的大小,主要取决于线圈的圈数(匝数Turns)、绕制方式、有无磁心及磁心的材料等等。电感量的计算公式如下所示。也就是说,电感量去线圈匝数乘平方正比关系,和磁导率及磁导面积都成一次正比关系。

要注意的是,这边的磁导率(Permeability)是整个磁路的有效磁导率,也就是说当磁路中增加了气隙和漏磁的时候,都会对等效磁导率产生影响。

额定电流(Ir, Is)

额定电流是指电感器在允许的工作环境下能承受的最大电流值,是电感规格书中的重要参数。若工作电流超过额定电流,则电感器就 会因发热而使性能参数发生改变。长期的超负载运行甚至还会因过流而烧毁。

饱和(Saturation)

一般的电感都有一条磁化曲线(B-H Curve), 这是一条反应磁场强度H和磁感应强度B的一条对应曲线。当磁场强度 H 增加时,磁感应强度 B 逐渐趋于一个最大值,即为该物质的饱和度。事实上,饱和之后,磁感应强度 B 也在逐渐增加,但比达到饱和度前的增长速率小了3个数量级。

磁场强度 H 和磁感应强度 B 的关系可以用磁导率: 或相对磁导率 表达,当中的 是真空磁导率。磁性金属的磁导率不是一个恒定不变的量,而是取决于磁场强度 H 。在可饱和的金属中,相对磁导率随磁场强度 H 的增加达到一个最大值,然后随着它的饱和发生转变再减小. 也就是说, 当磁场强度H达到一定程度的时候,因为感应强度B饱和原因,磁导率会越来越小,易导致电感值越来越小(电感值与磁导率成正比).

所以一般电感的电感值在0A电流的时候电感值最大,但是随着电流增大电感值会慢慢下降;不同的磁芯材料,电感值的下降速度不一样;当电感值下降很快的时候,我们称这个电感为Soft Saturation, 当电感值开始下降很慢的时候,我们成为Stiff/Hard Saturation. 不少电感值在饱和后,只有原电感值的1/3, 甚至1/10. 这点变化也是电路设计中需要重点考虑的, 所以一般来说电感厂商会测试提供一条电感值饱和曲线共参考。

损耗(Loss)

当电流通过电感的时候,会产生一定的损耗。电感的损耗主要有线圈损耗(Winding Loss) 和磁芯损耗(Core Loss)

线圈损耗(Winding Loss)是由直流损耗(DC Winding Loss)和交流损耗(AC Winding Loss)组成。 直流线圈损耗很好理解,任何电流通过导线,由于电阻率的存在都会产生损耗,去导线长度成正比,导线截面积成反比。线圈的交流损耗(AC Winding Loss)主要是由于导线的集肤效应(skin effect)导致的等效导通面积减小而造成的损耗。交流电在导线中通过时,由于导线内部涡旋电场,电子的流动会趋向去表面。也就是说,频率越高,电流越趋向于导线表面的一层皮肤,有效导电的减小而增加损耗。

磁芯损耗主要有涡流损耗和磁滞损耗组成。 涡流损耗是由于,在非均匀磁场中移动或处在随时间变化的磁场中时,导磁体内的感生的电流导致的能量损耗,叫做涡流损耗。现在的很多磁芯通过不同结构来增加磁体健电阻率的方式来降低涡流损耗。

磁滞损耗是磁芯更重要的一个高频损耗。如前面的B-H Curve显示的那样, 磁化强度滞后于磁场强度,它的磁通密度B与磁场强度 H之间呈现磁滞回线关系。经一次电流文波循环,每单位体积铁芯中的磁滞损耗正比于磁滞回线的面积。也就是说,当电流纹波(Current Ripple)越大的时候,磁滞回线的面积也就越大。不同的磁芯所拥有的BH Curve不一样。 磁滞损耗一般与纹波电流成平方正比,与频率成一次正比关系。

散热(Thermal)/温升(Temp Rise)

当线圈和磁芯产生热量的时候,需要有一定的散热方式将能量释放出来,否则会导致过度发热而引起烧坏电感,或引起火灾。所以散热和温升的设计是电感稳定性的重要保证。

散热方式主要有自然冷却,风扇冷却,和液态冷却三种方式。自然冷却是利用空气中的自然对流来进行热交换。

风扇冷却使用风扇使相对冷的空气以一定速率吹过电感,把热量带出。由于电感的热量存在于线圈和磁芯的各个角落,所以电感的结构对风扇冷却的效率影响很大。 特别是当磁芯或者内层线圈被包在里面时候,怎样让冷风到达发热部分带走热量损耗是散热设计的重点。

液冷的方式主要是在线圈和磁芯中通入一定的经过隔离的液体的方式来散热。由于液体的比热要远远高于空气,这个液冷的方式的散热效率要远远好于哪个是风冷,当然成本也更高。所以液冷一般应用于大功率和高功率密度的电感中。

允许偏差(Tolerance)

允许偏差是指电感器上标称的电感量与实际电感的允许误差值。由于电感值对电感的效果影响最大,实际中电感的偏差都会影响系统的效果和稳定性。 一般用于振荡或滤波等电路中的电感器要求精度较高,允许偏差为±0.2%~±0.5%;而用于耦合、高频阻流等线圈的精度要求不高, 同时线圈电感的气隙,线圈分布和磁芯材料的一致性都比较难控制,一般允许偏差为±10%~15%

绝缘等级(Insulation Class)

电感中由于有不同电压等级和接地部位存在。处于安全考虑,在电感的生产过程中,都要进行电压绝缘等级测试(Hi-Pot Test), 来验证组装达到安全要求。

电感的应用

电感是重要的电子元件,主要用于电路振荡(Resonant),滤波(Filter),高频阻抗(High Frequency Reactor)和抑制电磁干扰(EMI Attenuation)等应用。特别是在现代电力电子的电能转换中,无论从重要性还是成本体积来讲,电感都是仅次于功率开关管(Power Semiconductor)的第二大电子元件。

这里就稍微简单讲一下,电感在现在电力电子中的几个基本应用。

Step Down Buck Converter

Buck Converter 是利用快速切换的开关管(一般是MOSFET, 或者是IGBT), 把输入的直流电按照一定占空比(Duty Cycle = Ton/T)切成无数个小块(如下图的Vsw)。

根据我们之前对电感的了解,我们知道电感的电流是不能瞬间改变的,,如果正向的电压加于电感的两端会引起电感电流的增加。这个可以用以下微分公式来解释:

di/dt= (△V)/L

也就是说,当开关管闭合的时候,电感电压为正,电流以(Vin-Vo)/L的斜率上升持续Ton;当开关管打开的时候,由于电感电流不能立即变为零,电流会从二极管续流从而导致电感两段电压为-Vo, 以Vo/L的斜率下降。这样等同于把电压像切黄瓜一样切成无数的小块,而电感用其电流不能瞬变的特性,将电流连接了起来;并和电容一起组成了LC滤波器,对输出电压电流起到了链接并平滑作用。

Step Up Boost Converter

Buck Converter 只能做对电压的向下转换,而下面的Boost Converter是利用电感将能量储存在磁芯元件中的原理,将电压做向上转换。

如下图所示,当开关管闭合的时候,电感电流升高,能量杯储存在了电感里面;当开关管打开的时候, 电流从二极管进行续流,电感两端的电压变为-(Vo-Vin),因此电感电流以(Vo-Vin)/L的斜率持续下降tOFF时间。因为在稳定的状态下,电感电流上升的幅度要等于下降的幅度。因此,

同样的道理,通过不同的切割电压电流的方式,我们任意组合,,来达到我们想要的输出电流电压波形,这个就是电力电子的崭波控制法(PWM, Pulse Width Modulation)。

下面让我们再看看几个更加贴近生活的应用。

小型通用家庭电源及充电器

我们的电网系统都是以220V/380V为主的市电配电系统,然而我们目前用的几乎所有的现在家用电子设备,包括电脑,手机, LCD/LED 电视机/显示器,LED灯, USB充电器,用的都是直流系统。 所以几乎每一个电器都需要有一个交流转低直流的电源系统,来作为主要或者辅助的电能供给系统。

(图片来源:jqh.cc)

上面是JQH公司一个180W的通用电源的开放模块,其中电感/变压器(红色部分)占了很大的体积。也就是说,当我们身边的充电器及电源的体积越来越小的时候,也需要电感的越来越小以及频率越来越高!

太阳能逆变器

太阳能电池的直接输出一个变化的直流电压电流,不能直接被电网中的客户给使用。所以太阳能的系统中需要有一个带MPPT(Max Power Point Tracking)的DC/DC 和并网用的DC/AC, 统称太阳能逆变器!下图是一个典型的1kW的太阳能逆变器的解剖图,红圈部分都是电感等磁性元件,占到总部件的很大部分。

无线充电装置

为了方便使用,无线充电(WPT, Wireless Power Transfer)的概念已经慢慢在手机,电动牙刷及电动汽车等电器设备中推广开来。无论是采用感应式原理的近距离无线充电方式, 还是远距离的谐振式无线电能传输方式,电感都是其主要部件。

(图片来源:jqh.cc)

上图是JQH开发的无线充电装置,用来对手机等装置充电。

这是为尼桑Leaf和雪弗兰Volt设计的,基于电磁感应模式的电动汽车无线充电平台。 下面展示的是一个更大胆计划,把谐振用的电感和电容铺设在马路下方,利用谐振原理对飞驰的汽车进行定点安全的充电续航。

功率密度的趋势

这些电能转换装置都有一个共同的特点:效率越来越高,体积越来越小。为了达到功率密度越来越大,体积重量越来越小的目标,开关管需要以更快的速度进行切换。以前是1-5kHz, 现在是5—30kHz, 以后是30kHz-1MHz. 频率越高,需要的电感值也越小,这样可以把电感的体积和重量都降低。 但同时对电感的高频损耗和一致性也有非常大的挑战,这就需要更好的绕线技术和磁芯材料,来用最小的体积转换最高的功率密度。

美国的Google 公司近年来举办了一个The Little Box Challenge 的比赛,用一百万美金来奖励世界上体积最小功率密度最高的电能变换器,以此来推动功率密度的进步。

下面三张图可以非常直观地展现电能变换器的发展史:

第一台变换器可能是这样的:

而传统的低频变压器变换器是这样的:

而下面是Google Little Box 比赛的获奖变换器,一个2kW的变换器只有一个随身便签那么点大, 而开关管以240kHz来快速的切割电压电流。功率密度达到惊人的9kW/L。能达到这样的功率密度,电感的频率也必须非常高,体积非常小。


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