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微型电感器的简化模式设计是嘛

发布时间:2021-07-14 00:35:30 阅读: 来源:琉璃瓦厂家

微型电感器的简化模式设计

摘要:

考虑了制作微型电感器时可能的构造,通过控制坡莫合金磁心的各向异性或者图样的准分布间隙,用其调节磁导率来达到要求的电感量值。

1引言

最近,许多文献中提出了采用薄膜磁性材料制造微型变压器的方法,使人们看到了有望采用微制造技术使功率变换器实现微型化。采用薄膜微制造技术能够制造极其精细的图样结构,使其控制涡流损耗,从而可以在20MHz以下采用金属磁性合金。金属磁性合金一般具有较高的磁通密度、较低的磁滞损耗,通过设计及专门的优化,可以达到很高的效率和较高的功率密度。图1中示出了针对分布或准分布间隙电感器的一种设计方法,这种电感器可以用于功率变换电路中。选择脉宽调制(PWM)降压变换器作为制定出自己的材料标准说明的例子,其计算方法也可用在其他变换器结构中。

2简化模式的定义

首先分析端匝,其横向宽度Slat需靠近磁心,匝间的横向间隔St可以忽略(见图1)。第一步,计算出单位面积的损耗和控制的功率。假设窗口区的磁场为水平方向,这样,在绕组中的交流损耗可以用一维分析来估算,只要根据导体高度hc和穿透深度 e间的比例进行。可以用交流电阻因子Fr(hc/ c)=Rac/Rdc来描述。对电流波形,可以用傅里叶表达式,对于每个重要谐波K,估算Frk因子。

如果采用各向异性NiFe合金作磁心,主磁通往往可以参照无滞后的磁化轴方向。控制涡流损耗,把叠层磁心淀积成多层膜。对每层和每个磁通密度波形的重要谐波进行损耗估算,并加在一起。作这种估算时,假设磁通密度与各层是平行的。

3简化模式的磁心优化

图1平面电感器近似设计法的示意图(a)和顶视图(b)

可以参考降压变压器应用的设计技术条件,选择:输入电压Uin,输出电压Uo,直流输出峰-峰纹波电流Idc,r=△Ipp/Idc,开关频率 =2 f。

根据后叙式(9),绕组中的功率损耗可以借助于增加导体高度hc而减小。不过,这种改善是忽略了导体大于2倍穿透深度。作近似分析时,hc可以选择大约1~2个穿透深度。对忽略的因素进行考虑时,可使hc更精确的优化。对于磁心中的功率损耗,层数N的增加几乎可以忽略。考虑制造成本,应当优化N,在此,假设某一个层数。这样磁心的高美观、防水、保温、隔热灯成了每一个家庭的共同要求度可以对最大功率密度予以调节,得出(例如,对该降压变换器应用)表达式

式中,A为 有效的 器件区域, s和 c分别表示磁心和导体的电阻率,D是变换器的占空比,Kcore是计量磁心中谐波损耗的因子,而|a1|=2sin(D )/[ 2D(1-D)]是电流波形的第一个傅里叶系数。可变的Bpk为交流磁通密度峰-峰值的一半。对于最佳设计,总的磁通密度峰值应接近(或等于)饱和量级Bsat。因此选择Bpk=Bsat/(1+2/r),这样使Bdc+Bpr=Bsat,对最大功率密度的表达式(1)作为给定系数的函数。

表1对5MHz零电压开关降压变换器的电感器设计实例。

表上部为设计输入参数,下部为输出

表1中的参数是假设的一个例子。

在上述的最佳设计中,磁心和绕组之间的分布功率损耗,即Pcoreloss/Pwind1oss=2/3。一般来说,只要忽略磁滞损耗,磁心叠层薄到和穿透深度可以相比,电感要求可用调节磁导率来满足的话,则图1构造的平面电感器和变压器,所有的优化设计将保持这个比例。

4电感调整

满足电感要求的一种方法是调整磁心的磁导率,这就产生了一个有利的磁场构造,避免了优化过程中引入的电感抑制。

对优化激活和释放下游行业对新材料产品的有效需求设计,为了获得要求的电感,需要有效的磁导率

式中 opt( )是单位导体宽度,在效率为 时的电流密度。对于一个优转速均用秒表测定化设计来说,一旦选定效率 ,就完全指定了磁导率 r。

例如,假设表1中的参数,忽略了端匝和其他 无效 间距,以95.5% 98.5%范围设计,则相对磁导率的数值可能在100 r 400范围内,如图3所示。对于某一个确定的效率,实际设计一般需要比图3中所示的磁导率要高,这是因为靠近磁心的间距和绝缘匝的间距,在简化模式分析中被忽略了,所以,增加了磁路的长度(见图1)。电感中电流的波形如图4所示。

图2叠层数N=12的功率密度与功耗百分数的关系曲线。二座标轴均用对数值,参数已在表1中假设。

图3给定叠层数N=12时的磁导体与功耗百分数的关系曲线。二座标轴均用对数值,参数已在表1中假设,忽略了端匝和其他 无效 区。

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