近幾年隨著國內(nèi)電感原材料供應(yīng)鏈的不斷完善,生產(chǎn)工藝的不斷改進(jìn),自2010年我國電感行業(yè)進(jìn)入了飛速的發(fā)展階段。但在近兩年也開始呈現(xiàn)出了不少問題,新進(jìn)入企業(yè)不斷增多,產(chǎn)能已開始過剩,加上上游原材料價格、人工成本持續(xù)上漲,導(dǎo)致行業(yè)利潤已明顯降低。市場上各電感產(chǎn)品目前仍以follow美系、日系規(guī)格為主,而美系、日系品牌仍然占據(jù)主要的高端市場。因此,我國功率電感行業(yè)競爭日趨激烈。
面對這一現(xiàn)狀,電感行業(yè)業(yè)內(nèi)企業(yè)要積極應(yīng)對,注重培養(yǎng)創(chuàng)新能力,不斷提高產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)及生產(chǎn)效率,不斷改良電感磁性材料及成品特性,并制定正確的發(fā)展策略以使企業(yè)在殘酷的競爭中取得領(lǐng)先優(yōu)勢。就目前市場上的大電流功率電感而言,現(xiàn)仍以一體成型電感,或扁平線組合式電感居多,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及特性業(yè)已僵化,已無法滿足市場日益增長的對產(chǎn)品特性及成本優(yōu)化的需求。
下面就讓我們一起來認(rèn)識一款新型的超級功率電感(FSIS系列),產(chǎn)品外觀圖如下:
有沒有第一眼就有點覺得產(chǎn)品整體美觀、上檔次!
好,接下來我們先就功率電感的主要特性指標(biāo)逐項進(jìn)行深入對比解析。
1. 電感量
電感量,簡單講就是電感線圈阻礙電流通過的能力?,F(xiàn)市場上主要代表性的大電流功率電感如圖:
* 圖4: 一體成型式+圓銅線圈
* 圖5:鐵硅合金磁芯+扁銅線圈
*圖6:功率錳鋅磁芯+扁銅線圈,按磁芯形狀主要為PQ、EQ系列。
因電感量L=AL*N2,在AL一定的條件下(下詳解),感值與線圈圈數(shù)的平方成正比。由于此三類電感線材結(jié)構(gòu)的天然特性,或加工成型工藝限制,線圈圈數(shù)有限,因此能提供的感量也有限。經(jīng)綜合產(chǎn)品尺寸及特性后,通常能提供的感量對比如下(表一):
* 注:表中IDC為溫升電流(Irms.)與飽和電流(Isat.)兩者最小值,取Isat.為1.3*Irms.或以上,且FSIS系列
Isat.值通常取在加載Irms.時的熱測值(下詳解)。
下面讓我們來剖析下這款FSIS超級功率電感的結(jié)構(gòu),如圖7:
此大電流功率電感由外周全封閉的上磁芯、線圈、開口的下磁芯、絕緣端子、焊接端子組成。線圈圈數(shù)無產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及成型工藝束縛(可多層繞制),且可自動化加工預(yù)制,產(chǎn)品電感量可根據(jù)工程師的需要繞制。當(dāng)然,需要同時折中考慮產(chǎn)品尺寸、電流大小來決定所選用的線徑及圈數(shù)(感值)。
同時封閉的結(jié)構(gòu)無磁漏,可以把磁場更緊密地約束在線圈周圍,因而增大了電感量。
2. 阻抗
電感的總阻抗:
Z=R+jX (X=2πfL)
X - 是電感的振蕩或儲能項,不消耗能量,所以不會引起發(fā)熱發(fā)燙的問題。
R - 是電感的消耗項,以焦耳熱的形式消耗,P=I*I*R ;
R項由銅損和鐵損組成,銅損在高頻時主要由趨膚效應(yīng)引起,(很低頻時實際上算DCR就可以了) ;鐵損跟磁材的 u“ 有關(guān),主要是磁滯損和渦流損;
磁滯損跟頻率一次方成正比,渦流損跟頻率二次方成正比;故此,在低頻(1MHz)時,鐵損以磁滯損的貢獻(xiàn)最大;在磁滯曲線上,磁滯損就是H場和B場的乘積積分,簡單一點說,就是磁滯曲線的面積。
一旦選定合適的磁芯材料,鐵損的部份就無法有效降低或避免,剩下來的我們就重點討論銅損的因素了。當(dāng)流經(jīng)電感的紋波電流頻率較高時,我們不得不重視電流趨膚效應(yīng)的問題。 至于引起趨膚效應(yīng)的原理,本文不做深入討論。粗線地講,趨膚效應(yīng)會使導(dǎo)線的有效載面積減小,從而使它的等效電阻隨頻率增加。如在100KHZ左右,實際有效導(dǎo)電面積只有初始面積的70%。 有效地增加導(dǎo)電面積的辦法可以采用多股線來代替總載面積相同的實心導(dǎo)線。
所以,在評估電感的損耗大小時,工程師們不能只單純地比較DCR, 還應(yīng)考慮導(dǎo)線的趨膚效應(yīng),與實際工作電流的頻率相關(guān)。FSIS系列電感便使用了單根線徑0.1mm的多股線,并且直流電阻DCR比其它系列并不遜色,甚至在33uH以上比其它系列更優(yōu)(如表一)。相應(yīng)地,在高頻條件下Q值表現(xiàn)更加優(yōu)異。
當(dāng)然,表一中的PQ系列是個特例。 通常地,市場上PQ系列均采用一固定扁平線圈(固定線材規(guī)格、圈數(shù)),然后根據(jù)不同感值需要來磨磁芯中柱。DCR固定且比較小,但犧牲了其它特性,無法提供較高感值(通常在33uH以下),且飽和電流很低。無耐也只有這種選擇,因為PQ磁芯的結(jié)構(gòu)使得必須加大磁芯底厚,使得磁芯組合后的容納空間較少,也就不能容納更多圈數(shù)的繞組線圈了。
3. 額定電流(IDC)
通常電感的額定電流取溫升電流(Irms.)與飽和電流 (Isat.) 兩者的最小值。但,這并不夠嚴(yán)謹(jǐn)!我們先來看看兩者的定義。
溫升電流(Irms.):使電感本體溫度相比環(huán)境溫度(標(biāo)值通常取環(huán)境溫度為25℃時測量)上升30-40℃所通的最大直流電流值或最大交流有效電流值 (均方根值),即ΔT < 30-40℃。
飽和電流 (Isat.):使電感感值下降20%-35% 時所通的最大直流電流值或最大交流有效電流值(均方根值),即ΔL < 20%-35%。
飽和電流是一個重要的指標(biāo),一旦電感飽和,會在線路中產(chǎn)生噪音/雜訊,嚴(yán)重時會導(dǎo)致輸出能量達(dá)不到設(shè)計要求。通常開關(guān)型變換器電感內(nèi)部電流為 鋸齒波,飽和發(fā)生在一個充放電周期內(nèi),電流接近最高點位置,這時,由于飽和導(dǎo)致電感量下降,電流充放電的斜率會迅速增加。如圖8,是電感飽和及未飽和情況的電流波形。
作為一般的設(shè)計原則,務(wù)必要選取一個電感的飽和電流大于變換器的充電峰值電流。當(dāng)電感的參數(shù)規(guī)格標(biāo)注Irms. 與Isat. 接近時,選用電感IDC時須要小心,一般取Isat. > 1.3* Irms. 比較合適。
* 特別地,工程師需要考慮工作電流對電感溫升的影響。 當(dāng)磁芯材料溫度升高時,此時磁芯更容易飽和。熱飽和原理可遵循居里溫度定義。
電感磁性材料的居里溫度(表二):
Magnetics | Ferrite | Iron Powder | Hi-Flux | Sendust | MPP |
磁性材料 | 鐵氧體磁粉芯 | 純鐵粉芯 | 高磁通磁粉芯 | 鐵硅鋁磁粉芯 | 鎳鉬磁粉芯 |
居里溫度(℃) | 215 | 750 | 500 | 600 | 400 |
嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?,電感設(shè)計時所求得的Isat. 應(yīng)該是在模擬電感工作狀態(tài)下通電Irms. 且磁芯達(dá)到熱平衡條件下所測值。Isat.熱測值更具有指標(biāo)性意義!這一點在設(shè)計FSIS系列電感時已有充分考慮。
4. 噪音(buzz noise)
電感噪音產(chǎn)生的根本原因是磁致伸縮。
磁致伸縮是鐵磁物質(zhì) (磁性材料)由于磁化狀態(tài)的改變,其尺寸在各方向發(fā)生變化。如同物質(zhì)有熱脹冷縮的現(xiàn)象。除了加熱外,磁場和電場也會導(dǎo)致物體尺寸的伸長或縮短。鐵磁性物質(zhì)在外磁場作用下,其尺寸伸長(或縮短),去掉外磁場后,其又恢復(fù)原來的長度,這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮現(xiàn)象(或效應(yīng))(如圖9)。
由于磁致伸縮材料在磁場作用下,其長度發(fā)生變化,可發(fā)生位移而做功,或在交變磁場作用可發(fā)生反復(fù)伸張與縮短,該振動方式再經(jīng)由傳遞媒介(如繞組、空氣、BOBBIN等)放大,而且又在音頻(20~20KHZ)而引起的,所以我們感覺到了噪音。
電感噪音對工程師們一直是個頭痛的問題。 噪音的發(fā)生基本上是無解的,沒辦法完全避免,不過,卻可以經(jīng)由種種的方法去減輕,去降低,以及避開音頻,來解決客戶的問題,達(dá)到聽不見為干凈的效果。一般以降低傳遞路徑的傳遞效果是最簡單最有效的方法,如加強(qiáng)凡立水,加強(qiáng)點膠或封膠,讓線及電感結(jié)構(gòu)更扎實,或更換磁致伸縮或磁漏更少的磁芯材料等等。
如果以上方法,還是聽得見噪音,可考慮改變工作頻率,以減輕材料間的共振幅度(振幅越大,噪音越大),達(dá)到降低或避開的方法。
然而更換磁芯材料會很有可能犧牲產(chǎn)品設(shè)計特性或增加額外的成本,調(diào)整工作頻率也是一個繁瑣的系統(tǒng)工程,在工程師們花大量精力折中調(diào)整頻率后也不一定能達(dá)到降噪的效果。
FSIS系列電感在一開始設(shè)計時就考慮了降噪的問題。將上磁芯設(shè)計成外周完全磁封閉狀,下磁芯底部側(cè)邊開口(如圖7),并以上磁芯整體高度盡可能大于下磁芯高度,再磨上磁芯中柱取得儲能氣隙。通常,電感噪音主要經(jīng)由磁芯中柱氣隙中的空氣振動傳出。該系列電感設(shè)計的磁芯內(nèi)腔圓滑,聲波在近乎全封閉的、光滑的磁芯內(nèi)圓腔內(nèi)反復(fù)折射、振蕩后能量便逐漸消失。 如個別案例有少量的聲波在開口處衍射出來,便可在開口處點膠使開口縫隙變小,便達(dá)到“靜音”的效果。
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