电容和电感的平均功率有功率参数吗100KW该如何选择

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2020-02-12 15:45 标签： 电容和电感的平均功率

电路设计中怎么样选择电感和电嫆 

电路设计中怎么样选择电感和电容，尤其是电容量电...
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交流元件参数的测量和负载功率洇素的提高——电子电工综合实验论

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1.1 功率电感器概要

线圈是呈螺旋状嘚电极的总称其中，用于电气用途线圈被称为电感器并且可以分为两类，一类是用于信号系统的RF电感器另一类是用于电源系统的功率电感器。本项中说明的功率电感器是在DC-DC转换器等的电压转换电路中，构成其一部分的元件


下面说明功率电感器在DC-DC转换器中的作用。功率电感器被用于将某种电压转换为所需电压的升压、降压或者被用于升降压电路。其中主要在开关调节器式电路中使用。

图1-1为开关調节器式降压电路的事例


利用IC、功率电感器、电容器，将直流输入电压转换为所需的输出电压功率电感器承担的作用是与电容器配合，将从IC输出的矩形波输出转换为直流（详情在第2章中说明）
只要缺少其中的任何一个，就无法正确整流

图1-1 降压型开关调节器概要

1.2 功率電感器的基本特性

那么在选定功率电感器时，应当查看哪些参数呢各制造商的功率电感器产品目录上，主要记载了下列技术规格图1-2呈現了技术规格表的一个示例。

直流叠加额定电流 Isat

图1-2 功率电感器特性表


可是仅凭这个还是不清楚应该选择哪种技术规格的功率电感器。例洳电感高的好还是低的好、需要多大的额定电流之类，因为必须根据DC-DC转换器的工作条件适当地选择本章介绍功率电感器技术规格的看法。

电感值是影响纹波电流和负载响应特性的一个非常重要的参数DC-DC转换器使用的功率电感器中通过图1-3所示的三角波电流。一般来说可將纹波电流⊿IL设置为负载电流Iout的30%左右。因此只要决定DC-DC转换器的条件，就能根据以下算式计算适当的功率电感器电感

图1-3 功率电感器中通過的电流波形


但是，在DC-DC转换器上几乎都记载了功率电感器的适当电感值作为参考值因此，即使不进行上述算式之类的计算也能按照制慥商的参考值选定。


额定电流规定了电流值的上限通过的直流电流超过该值时，无法保障质量功率电感器的额定电流有两种，一种规萣了直流叠加额定电流（Saturation）另一种规定了温升额定电流（Temperature）。各自具有重要含义往往分别记载技术规格。

ⅰ）直流叠加额定电流 Isat


电感器的特性之一是直流叠加特性为了获取高电感，电感器的芯部（磁心）采用铁氧体等磁性体材料电流通过电感器时，会产生磁性体的磁饱和现象电感会下降。将这种特性称为直流叠加特性直流叠加额定电流规定了电感相对于未叠加电流的初始特性下降一定比例时的電流值。

ⅱ）温升额定电流 Itemp


这是以元件的发热为指标的额定电流规定超过该范围使用，会导致元件损坏或组件故障一般来说是按温度仩升⊿40℃的电流值规定的。

下面看一下作为功率电感器使用时应该如何决定这些额定电流。如图1-3所示电感器中最大通过Iout+⊿IL/2的电流。如果电流值在Isat以上电感的下降就会增大，如图1-4的红线所示三角波电流的形状异常，纹波电流增加由于纹波电流成为改变输出电压的因素，如果纹波电流增加就会引起负载端系统动作异常。因此必须选定Isat在最大电流以上的产品。


至于温升额定电流即使超过额定值，電感器也不会马上损坏因此，应以Itemp值在Iout以上为标准选定

图1-4 直流叠加特性引起的纹波电流变动


表示通过直流电时的阻抗值。由于该阻抗徝因发热而产生电力损耗，所以直流阻抗越小损耗越少但是，减小Rdc与直流叠加特性、尺寸小型化等存在折衷关系只要从上述的满足電感、额定电流等必要特性的电感器当中，选定Rdc更小的产品即可


这是规定使用电感器时的环境温度容许范围的参数。温度的影响因电路嘚工作环境而异因此要设想实际使用环境后选定。

下面看一下实际的DC-DC转换器的功率电感器选定示例以图1-5所示的降压DC-DC转换器为例。这里假设在下列条件下动作的情况


根据以下算式，适当电感的大小约为1.0μH

只要使用村田的设计辅助软件“SimSurfing/DC-DC转换器设计辅助工具”，即可根據所要求的技术规格搜索最佳产品如图1-6的红框所示，在搜索项目中输入电感、尺寸、Itemp、Isat的要求值后即在蓝框部分列表显示符合条件的產品。

图1-6 利用设计辅助软件“SimSurfing”根据条件搜索


如果选择产品还能比较直流叠加特性等基本特性。

三种产品比较叠加特性根据这些结果鈳知，在本事例中DFER0M满足要求条件具有低Rdc和高Isat特性。

図图1-7 利用设计辅助软件“SimSurfing” 比较基本特性

1.3 功率电感器的类型

下面介绍功率电感器的类型村田的功率电感器有三种结构的产品线，分别是金属合金绕线型、铁氧体绕线型、铁氧体多层型从可穿戴设备、智能手机等移动设備到医疗、工业电器、汽车设备，对于广泛用途提供最佳电感器。 

图1-8 功率电感器的结构


下面分别介绍各种结构的特点和技术


金属合金繞线型是采用绕线和涂布了树脂的金属磁性粉热压而成电感器。从大型产品到小型产品可以适用于大电流领域。金属磁性材料与后述的鐵氧体材相比虽然透磁率较低，但却具有出色的直流叠加特性属于适合大电流的材料。近年来DC-DC转换器的开关速度不断提高，低电感需求日益增加金属合金绕线型在大部分市场逐渐成为主要商品。
此外金属磁性材料还有一大特点，就是温度特性优于铁氧体材料导磁率受环境温度的影响很小，因此在高温时也能保持稳定的直流叠加特性目标市场涵盖广泛领域，包括汽车、智能手机、HDD等等

图1-9 金属匼金绕线型的结构与外观


金属合金绕线型技术包括金属磁性材料及其加工技术、采用了铜丝的绕线技术（图1-10）。村田确立了自己的材料技術可以实现独特的绕线结构、高导磁率及高绝缘性。依靠这些技术的融合可以提高电感的获取效率、降低直流阻抗，实现支持大电流嘚产品线

图1-10 金属合金绕线型的截面图図


铁氧体绕线型电感器是将铜丝在铁氧体芯部盘绕成螺旋状。村田的大多数铁氧体绕线型都在铁氧体芯部盘绕的铜丝上涂布了磁性树脂。树脂涂层的目的是减少漏磁通提高电感的获取效率和强度。因为铁氧体的导磁率很高在高电感领域使用时，选择铁氧体绕线型有利目标市场涵盖广泛领域，包括智能手机、TV、HDD等等

图1-11 铁氧体绕线型的结构与外观


铁氧体绕线型技術、包括铁氧体材料和磁性树脂材料技术、铁氧体芯形成技术以及从细线到粗线对应的绕组技术(图1-12)。村田将这些技术相结合,实现了尺寸种類繁多和广泛的电感产品

图1-12 铁氧体绕线型的截面图


铁氧体多层型电感器是将磁性材料与内部电极交互叠加烧结而成的。与绕线结构相比可以实现小型化、薄型化。对于小型低电感需求使用金属合金绕线型的情况日益增加，小型大L、高耐压领域越来越需要铁氧体多层型嘚特性

图1-13 铁氧体多层型的结构与外观


铁氧体多层型技术，包括铁氧体材料技术、高纵横比的内部电极形成技术、电路设计技术、叠层技術（图1-14）村田获得了无法靠传统的叠片实现的内部电极高纵横比技术，可以进一步降低阻抗同时，依靠高自由度的磁路间隙形成技术抑制磁饱和，实现了优异的直流叠加特性依靠这些技术，实现了支持需要小型化和薄型化领域的产品线

图1-14 铁氧体多层型的截面图


下媔比较一下上述各种结构的功率电感器的性能。

＜功率电感器的性能比较＞


要比较的功率电感器性能主要有1)电感值、2)直流叠加特性、3)温喥特性、4)耐电压、5)漏磁通。了解这些信息就能分别选择结构适合各种必要性能的功率电感器。
电感值的可获取范围取决于功率电感器嘚结构。铁因为铁氧体材料的导磁率高氧体绕线型可以获取10uH以上的高电感，范围广泛铁氧体多层型的提及比绕线型小，因此属于10uH以下嘚低电感领域金属合金绕线型也因为其材料特性，最适合10uH以下的低电感

图1-15 各种结构的电感范围


数字电路之类的大电流通过的电路，要求功率电感器的电感不因大电流而下降也就是说，需要直流叠加特性优良的功率电感器这是因为电感不下降，纹波电流就能固定不变从而保持稳定的电路动作。金属合金绕线型与铁氧体型相比不易产生磁饱和，因此具备出色的直流叠加特性

图1-16 各种结构的叠加特性


僦像汽车用电源电路一样，在高温下使用功率电感器时其温度特性非常重要。磁性材料具有导磁率随温度变化的温度特性与铁氧体相仳，温度对金属磁性材料导磁率的影响较小可以说这一特性非常出色。
金属合金绕线型的电感值和直流叠加特性变化不大图1-17是环境温喥25℃～125℃时，金属合金绕线型与铁氧体品的直流叠加特性可见金属合金绕线型在125℃时，其特性与25℃时没有区别

图1-17 各种结构的温度特性


LED等升压电路、高降压比的电源电路，必须注意功率电感器的耐电压金属合金绕线型采用绝缘树脂覆盖金属磁粉，确保其绝缘性与铁氧體绕线型相比，有绝缘性较低的趋势因此，金属合金绕线型具有许多出色的特性在高耐电压下使用时必须确认。


来自电感器的漏磁通会作为一种噪声，对其他电路产生影响；特别是元件之间的距离受到制约的电源电路可能会导致信号等级下降或失灵等。漏磁通的大尛往往取决于电感器的结构属于闭合磁路结构的金属合金绕线型和铁氧体多层型有利。这是因为要想获取相同电感时采用金属合金绕線型、铁氧体多层型，可以减少漏到外部的磁通（图1-18）各种结构的漏磁通的比较结果如图1-19所示。根据其结果可知金属合金绕线型、铁氧体多层型与铁氧体绕线型相比，漏磁通被控制在较低水平

图1-18 金属合金绕线型与铁氧体多层型的截面图

图1-19 各种结构的漏磁通


表1汇总了这些性能比较结果。选择功率电感器时请以这些为参考，选择适合用途的产品

表1 各种结构的性能比较

最后介绍这些功率电感器的推荐产品线。功率电感器的用途大致可以分为一般用和车载用，这里是根据电感值和尺寸介绍一般用的示例金属合金绕线型可以采用广泛的電感值和尺寸。铁氧体绕线型的优势是属于高电感产品铁氧体多层型的优势是属于小型产品。

图1-20 功率电感器（一般用）的产品线

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