功率电感:ICP-5000型电感耦合等离 2013年5月14日,聚光科技自主研发的“ICP-5000型电感耦合等离子体发射光谱仪”科技成果鉴定会在杭州召开。本次专家鉴定委员会成员包括:中国分析测试协会张渝英秘书长、中国分析测试协会汪正
没有功率电感或变压器设计经验的电路设计者倾向于选择商品化的变压器和电感。尽管如此,了解一点磁性材料方面的知识将有助于设计者针对具体应用做出最适当的选择。
降低电感散射的关键是选用高磁导率的材料,以便使磁场局限于磁芯中而不向周围空间散射。在高磁导率介质中,磁场密度几乎随着磁导率正比增加。这很象是并联的电导:当一个1S的电导(即1Ω电阻)和一个1mS的电导(1kΩ电阻)并联时,其中的电流将是1mS电导中电流的1000倍。一个1000µ、1in²的磁芯相比于一个1µ、1in²的磁芯,其中的磁场密度之比例为1000:1。高磁导率介质不能储存很多能量,所以,为了缩小电感尺寸,常常采用带有气隙的高磁导率磁芯。
为方便理解,参见图9。参量B (X轴)正比于V×t/N,其中N为线圈匝数。参量H (Y轴)正比于N×i。这样,曲线的斜率(正比于µ)也就正比于电感(L = V/[di/dt])。为这个铁氧体磁芯(或其他类型的高磁导率磁芯)增加气隙将使斜率降低,同时降低了等效磁导率和相关的电感。电感因斜率的变化而降低,而最大电流因斜率的变化而增加,同时饱和磁感应强度B保持不变。所以,储存于电感的最大能量(½LI²)增加了。这种增加也可以通过给电感施加一个电压,然后观察达到饱和Bsat所需的时间来得到印证。储存于磁芯的能量是(V×i)dt的积分。因为对于带有气隙的磁芯,同样的电压和时间下总是具有更高的电流,所以相应的储能也更高。
图9. 铁氧体磁芯增加气隙后迫使磁通透出磁芯,使电感或变压器储能于器件周围的磁场中。
然而,采用带气隙的磁芯会增加电感周围空间中的磁辐射。以轴状磁芯为例,因为具有很大的气隙,它在工作时具有很强的磁辐射,正是由于这个原因,在很多对噪声敏感的应用中不被采用。轴状磁芯(线轴状的铁氧体)是一种最为简单和最为廉价的带气隙的铁氧体磁芯。将线圈绕于中轴上面便构成一只电感。由于线圈直接绕在磁芯上,除了线圈的引出外不再需要其它处理,因此成本很低。很多情况下,导线是通过磁芯底部的一块金属化区引出的,使电感可以进行表面安装。其它一些表面安装电感则是被固定在一个陶瓷或塑料顶盖上,线圈通过顶盖引出。
有些电感制造商在轴状磁芯外部套装了一个铁氧体屏蔽罩来降低辐射。这种办法是有效的,但同时也减小了气隙,因而也就降低了磁芯储能。由于铁氧体自身储能不多,通常在磁芯和屏蔽罩之间保留了一个小的气隙,这将使这种类型的电感辐射一部分磁场。不过,在某种可以接受的散射水平下,轴状磁芯在成本和EMI之间是一个比较好的折衷。
其它不同形状的磁芯也可以根据应用要求增加气隙(或不加)。例如罐状磁芯、E-I磁芯和E-E磁芯等都具有一个中心柱或轴(图10),可以在上面开出一个空气间隙。在磁芯的中心开气隙并用线圈将其完全包围起来,有助于减少气隙向外部空间的磁辐射。这种电感通常更贵一些,因为线圈必须独立于磁芯绕制,磁芯环绕线圈组装。为便于设计和组装,可以购买中轴上预留气隙的磁芯贴片电感打样。
图10. 不同几何形状的磁芯具有不同的储能能力、磁辐射和组装难易程度,它们均可增加气隙。
或许在降低磁辐射方面表现最好的磁芯是具有分布式气隙的磁环。这种磁芯采用填充材料和高电感公司磁导率金属粉末混合后压制成型。被非磁性填充物分隔的金属粉末颗粒中有小的气隙,能够产生均匀分布在整个磁芯的总“气隙”。线圈环绕磁环绕制,使磁场在线圈中间沿着磁环形成圆环。当线圈绕满磁环整个圆周时,它就完全包围住磁场将其屏蔽起来。
分布气隙式磁环的能损有时会比开有气隙的铁氧电感生产厂家体磁芯更高一些,这是由于组成芯体的金属颗粒中容易形成涡流,导致磁芯发热而使电源效率降低。由于线圈必须穿过磁环中心,绕制比较困难,所以这种类型的电感也比较贵。线圈绕制可由机器完成,但比起传统类型的绕线机,这种类型的机器更贵而且操作更慢。
有些铁氧体磁环具有非连续的气隙。这种磁芯所产生的磁辐射高于上述分布气隙式磁芯,但典型的带气隙磁环具有比较低的能损,因为它们封闭磁场的能力要优于其它类型的具有非连续气隙的铁氧体磁芯。用线圈包围气隙可以降低磁辐射,而环状磁芯更有助于将磁场封闭于芯体内部。