公告

电感特性参数

引言

在开关电源变换器中，电感器是其中的关键储能及滤波器件。然而由于各种方案不同的应用条件（电压、电流、开关频率等），不同电感器在电路中的表现差异很大，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。
因此，在电路设计中进行电感器选型时，首先要对本身方案的应用条件有清晰的认知，也要对电感的各个参数有一定的了解，才能进一步保证电路的稳定性。

理论知识

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。

\[L=\frac{N^2\mu A_e}{I_e} \]

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。

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。

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：

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。
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）

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

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：

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。

B. 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。

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。

电感主要特性参数

电感量 \(L/L_R\)
     电感的电感量的大小主要取决于线圈的圈数、绕制方式、有无磁芯及磁芯的材料等。其单位为享利，用字母“H”表示。
1H 的意义是当通过线圈的电流每秒变化 1A 所产生的感应电动势为 1V 时，线圈的电感量为 1H（即 1 亨利）。
     表 1 中，电感感量有两个参数，其中，L 指的是在 100KHz/10mA 的条件下测得的，此时外加的直流偏置极小。LR指
的是在 100KHz，额定电流 4.0A 条件下测得的电感量，较 100KHz/10mA 的条件下测得的感量会有一定下降，感量降低
的主要是由于制作电感磁芯材料的物理特性决定。
     该电感的电感量容差值（tolerance）是±20%，一般电感量容差值（tolerance）以±20%与±30%居多。
额定/温升电流 \(I_R\)
表 1 中的额定电流也可以说是电感温升电流，是对“相对温度”变化的限制。在表 1 中，可以看到“ΔT = 50K”的描
述，指使电感温度上升 50K 时的电流大小，如图 1（左），通过电感的电流越大，电感温升越高，电感温度上升 50K 时的
电流大小为 4.0A，即此电感的额定/温升电流（摄氏温度 T(C)和 K 氏温度 T(K)的关系：T(K)=T(C)+273.15）。
额定/温升电流是指允许通过电感的连续的直流电流强度，电感的额定/温升电流主要与绕制电感的铜线的线径有关(线越
粗，电感的额定/温升电流越大)，电感的额定/温升电流还与电感的散热能力有关，散热能力越好，此电流越大(电感的散热
能力还与电感的型式、形状、尺寸等有关)。
饱和电流 \(I_{SAT}\)
饱和电流，是指使得电感进入（磁）饱和状态下的电流，此时，电感的电感量相对未加电流时的电感值下降一定比例（一
般是 30%~50%），而通过的电流会进一步上升（电感量下降，电感应对电流变化的阻碍能力下降）。如图 1（右），电感
量 33uH 的电感在电感电流达到饱和电流 5.0A 时，感量由 33uH 下降到 21uH（下降 36.4%）。
通常情况下，电感额定电流指的是额定/温升电流与饱和电流中的较小值。实际使用时，应控制电路中的电感电流小于电
感的这几个电流值，并留有一定余量。
直流电阻 \(R_{DC}\)
直流电阻，描述的是电感的电流/磁场达到稳定状态下的电阻。理想情况下，电流/磁场稳定了，电感呈现短路状态，但
实际上还有 mΩ级别的电阻，RDC影响最大最直接的就是发热损耗，所以直流阻抗越小损耗越少。