你不知道的電感器：電感的前世今生

1、 什么是電感電感(Inductor,也稱Choke)是能夠把電能轉(zhuǎn)化為磁能而存儲起來的元件。電感器的結(jié)構(gòu)類似于變壓器(Transformer)，但只有一個繞組(Winding)。電感具有一定的電感(inductance)，它只阻礙電流(Current)的變化。如果電感器在沒有電流通過的狀態(tài)下，電路接通時它將試圖阻礙電流流過它；如果電感器在有電流通過的狀態(tài)下，電路斷開時它將試圖維持電流不變。電感又稱扼流器、電抗器、動態(tài)電抗器等等。電感的代碼為L,在電路圖中的符號為：電感的原理電感是一種能將電能通過磁通量的形式儲存起來的被動電子元件。通常為導線卷繞的樣子，當有電流通過時，會從電流流過方向的右邊產(chǎn)生

2、磁場。法拉第電磁感應定律說，變化的磁場同時產(chǎn)生電壓和電流。那么,如果線圈中的電流是變化的，造成了磁場的變化，（也就是一般的交流電或者高頻電流）線圈會發(fā)生什么變化呢？交流電是指隨時間推移電流大小和方向會發(fā)生周期性變化的電流。當交流電通過電感時，電流產(chǎn)生的磁場將其他的繞線切隔，形成變化的磁場，因而產(chǎn)生反向電壓(Voltage)，從而阻礙電流變化。特別是當電流突然增加時，變化的磁場會產(chǎn)生一個和電流相反方向的（即電流減少方向）的電壓，來阻礙電流的增加。反之當電流減少時，則向電流增加的方向產(chǎn)生一個電壓來阻礙電流的減少。另一方面，直流電由于電流不會發(fā)生變化，就不會發(fā)生反向電壓。也就是說，如果在不考慮線圈電

3、阻值(Resistance很小)的情況下，電感器是可以讓直流電通過，對于直流的阻抗（Impedance）很小，而通不過交流電的元器件。不過，在直流進行切斷的時候，也就是電流瞬間巨變的時候，電感會產(chǎn)生一個非常大的反向電壓。這個反向電壓特性也是現(xiàn)在電力電子能源轉(zhuǎn)換的基礎，這個我們會在后面做詳細討論。電感的結(jié)構(gòu)電感的結(jié)構(gòu)主要由線圈繞組(Coil/Winding)和磁芯(Core)，以及輔助的支撐封裝材料組成。線圈(Winding/Coil)主要起導電作用，目前通用的是銅線和鋁線。銅線的導電性能比較好，損耗低，但是價格和重量相對較高。鋁線圈的價格和重量低，但是因為導電性能一般而損耗高。傳統(tǒng)工藝中，鋁線

4、與焊錫的結(jié)合不是很穩(wěn)定，但是在現(xiàn)代工藝中已經(jīng)得到解決。磁芯(Core)是由一些比空氣的磁導率(Permeability)高的材料組成，把磁場更緊密地約束在電感元件周圍，因而增大了電感。實際上好的磁芯是幫助電感將能量更方便的存儲在更小的空間中，因此好的磁芯對于電感性能的變化非常重要。磁芯是指由各種氧化鐵混合物組成的一種燒結(jié)磁性金屬氧化物。磁芯的發(fā)展經(jīng)歷了由傳統(tǒng)的硅鋼片(Laminatedsiliconsteel)，到鐵粉(Ironpowder),鐵氧體(Ferrite),鐵硅(FeSi),鐵鎳鉬(Kool-Mu/Sendust),非晶合金(amorphousalloy)等變化。選擇合適的磁芯，最

5、重要的是考慮不同的B-H曲線和頻率特性。特別是，B-H曲線決定了電感的高頻損耗，飽和曲線(Saturation)及電感量(Inductance).磁芯從形狀又可以分成，圓柱型(Cylindrical),“C”/“U”型，”E”型，”EI”型，PQ型，環(huán)型(Toroidal)等等。電感的分類自感與互感一般來說，電感只有一個繞組線圈，這個時候的電感又稱為單相電感(singlephaseinductor),或者自感(self-inductance)自感.它的自感量又稱為自感系數(shù)。有些時候電感也會有多個線圈，而線圈之間會影響的時候，就出現(xiàn)了互感。他們之間的感應關系也成為互感系數(shù)?；ジ杏幸环N特殊的應用叫

6、做共模電感(CommonModeInductor)。共模電感(CommonModeChoke)，也叫共模扼流圈，是在一個閉合磁環(huán)上對稱繞制方向相反、匝數(shù)相同的線圈。理想的共模扼流圈對L（或N）與E之間的共模干擾具有抑制作用，而對L與N之間存在的差模干擾無電感抑制作用。但實際線圈繞制的不完全對稱會導致差模漏電感的產(chǎn)生。信號電流或電源電流在兩個繞組中流過時方向相反，產(chǎn)生的磁通量相互抵消，扼流圈呈現(xiàn)低阻抗。共模噪聲電流（包括地環(huán)路引起的騷擾電流，也處稱作縱向電流）流經(jīng)兩個繞組時方向相同，產(chǎn)生的磁通量同向相加，扼流圈呈現(xiàn)高阻抗，從而起到抑制共模噪聲的作用。單相與三相一般的電感都是只有一組輸入輸出，主要

7、用于單相(Single-Phase)，或者直流變換的用途。但是，出于體積的成本的考慮，在三相系統(tǒng)中，也有三相耦合的三相電感(ThreePhaseInductor)。除上之外，電感按照頻率可以分成高頻電感和低頻電感；按照封裝可以分為，PCB貼片電感，直插式電感，灌膠電感和獨立電感；按照冷卻方式可以分為，自然冷卻(NaturalConvection)，風扇冷卻(ForcedAirCooling)和液態(tài)冷卻(LiquidCooling)。電感特性及設計參數(shù)電感量(Inductance)電感量也稱自感系數(shù)，是表示電感器產(chǎn)生自感應能力的一個最重要的參數(shù)。電感量的基本單位是亨利（簡稱亨），用字母“H”表示

8、。常用的單位還有毫亨（mH）和微亨（H），它們之間的關系是：1H=1000mH，1mH=1000H.電感器電感量的大小，主要取決于線圈的圈數(shù)（匝數(shù)Turns）、繞制方式、有無磁心及磁心的材料等等。電感量的計算公式如下所示。也就是說，電感量去線圈匝數(shù)乘平方正比關系，和磁導率及磁導面積都成一次正比關系。要注意的是，這邊的磁導率(Permeability)是整個磁路的有效磁導率，也就是說當磁路中增加了氣隙和漏磁的時候，都會對等效磁導率產(chǎn)生影響。額定電流(Ir,Is)額定電流是指電感器在允許的工作環(huán)境下能承受的最大電流值，是電感規(guī)格書中的重要參數(shù)。若工作電流超過額定電流，則電感器就會因發(fā)熱而使性能參數(shù)

9、發(fā)生改變。長期的超負載運行甚至還會因過流而燒毀。飽和(Saturation)一般的電感都有一條磁化曲線(B-HCurve),這是一條反應磁場強度H和磁感應強度B的一條對應曲線。當磁場強度H增加時，磁感應強度B逐漸趨于一個最大值，即為該物質(zhì)的飽和度。事實上，飽和之后，磁感應強度B也在逐漸增加，但比達到飽和度前的增長速率小了3個數(shù)量級。磁場強度H和磁感應強度B的關系可以用磁導率：或相對磁導率表達，當中的是真空磁導率。磁性金屬的磁導率不是一個恒定不變的量，而是取決于磁場強度H。在可飽和的金屬中，相對磁導率隨磁場強度H的增加達到一個最大值，然后隨著它的飽和發(fā)生轉(zhuǎn)變再減小.也就是說，當磁場強度H達到一定

10、程度的時候，因為感應強度B飽和原因，磁導率會越來越小，易導致電感值越來越小(電感值與磁導率成正比).所以一般電感的電感值在0A電流的時候電感值最大，但是隨著電流增大電感值會慢慢下降；不同的磁芯材料，電感值的下降速度不一樣；當電感值下降很快的時候，我們稱這個電感為SoftSaturation，當電感值開始下降很慢的時候，我們成為Stiff/HardSaturation.不少電感值在飽和后，只有原電感值的1/3,甚至1/10.這點變化也是電路設計中需要重點考慮的,所以一般來說電感廠商會測試提供一條電感值飽和曲線共參考。損耗(Loss)當電流通過電感的時候，會產(chǎn)生一定的損耗。電感的損耗主要有線圈損耗

11、(WindingLoss)和磁芯損耗(CoreLoss)線圈損耗(WindingLoss)是由直流損耗(DCWindingLoss)和交流損耗(ACWindingLoss)組成。直流線圈損耗很好理解，任何電流通過導線，由于電阻率的存在都會產(chǎn)生損耗，去導線長度成正比，導線截面積成反比。線圈的交流損耗(ACWindingLoss)主要是由于導線的集膚效應(skineffect)導致的等效導通面積減小而造成的損耗。交流電在導線中通過時，由于導線內(nèi)部渦旋電場，電子的流動會趨向去表面。也就是說，頻率越高，電流越趨向于導線表面的一層皮膚，有效導電的減小而增加損耗。磁芯損耗主要有渦流損耗和磁滯損耗組成。渦流

12、損耗是由于，在非均勻磁場中移動或處在隨時間變化的磁場中時，導磁體內(nèi)的感生的電流導致的能量損耗，叫做渦流損耗?，F(xiàn)在的很多磁芯通過不同結(jié)構(gòu)來增加磁體健電阻率的方式來降低渦流損耗。磁滯損耗是磁芯更重要的一個高頻損耗。如前面的B-HCurve顯示的那樣,磁化強度滯后于磁場強度，它的磁通密度B與磁場強度H之間呈現(xiàn)磁滯回線關系。經(jīng)一次電流文波循環(huán)，每單位體積鐵芯中的磁滯損耗正比于磁滯回線的面積。也就是說，當電流紋波(CurrentRipple)越大的時候，磁滯回線的面積也就越大。不同的磁芯所擁有的BHCurve不一樣。磁滯損耗一般與紋波電流成平方正比，與頻率成一次正比關系。散熱(Thermal)/溫升(T

13、empRise)當線圈和磁芯產(chǎn)生熱量的時候，需要有一定的散熱方式將能量釋放出來，否則會導致過度發(fā)熱而引起燒壞電感，或引起火災。所以散熱和溫升的設計是電感穩(wěn)定性的重要保證。散熱方式主要有自然冷卻，風扇冷卻，和液態(tài)冷卻三種方式。自然冷卻是利用空氣中的自然對流來進行熱交換。風扇冷卻使用風扇使相對冷的空氣以一定速率吹過電感，把熱量帶出。由于電感的熱量存在于線圈和磁芯的各個角落，所以電感的結(jié)構(gòu)對風扇冷卻的效率影響很大。特別是當磁芯或者內(nèi)層線圈被包在里面時候，怎樣讓冷風到達發(fā)熱部分帶走熱量損耗是散熱設計的重點。液冷的方式主要是在線圈和磁芯中通入一定的經(jīng)過隔離的液體的方式來散熱。由于液體的比熱要遠遠高于空氣

14、，這個液冷的方式的散熱效率要遠遠好于哪個是風冷，當然成本也更高。所以液冷一般應用于大功率和高功率密度的電感中。允許偏差(Tolerance)允許偏差是指電感器上標稱的電感量與實際電感的允許誤差值。由于電感值對電感的效果影響最大，實際中電感的偏差都會影響系統(tǒng)的效果和穩(wěn)定性。一般用于振蕩或濾波等電路中的電感器要求精度較高，允許偏差為±0.2%±0.5%；而用于耦合、高頻阻流等線圈的精度要求不高，同時線圈電感的氣隙，線圈分布和磁芯材料的一致性都比較難控制，一般允許偏差為±10%15%絕緣等級(InsulationClass)電感中由于有不同電壓等級和接地部位存在。處于安

15、全考慮，在電感的生產(chǎn)過程中，都要進行電壓絕緣等級測試(Hi-PotTest),來驗證組裝達到安全要求。電感的應用電感是重要的電子元件，主要用于電路振蕩（Resonant），濾波(Filter)，高頻阻抗(HighFrequencyReactor)和抑制電磁干擾(EMIAttenuation)等應用。特別是在現(xiàn)代電力電子的電能轉(zhuǎn)換中，無論從重要性還是成本體積來講，電感都是僅次于功率開關管(PowerSemiconductor)的第二大電子元件。這里就稍微簡單講一下，電感在現(xiàn)在電力電子中的幾個基本應用。StepDownBuckConverterBuckConverter是利用快速切換的開關管(一般

16、是MOSFET，或者是IGBT),把輸入的直流電按照一定占空比(DutyCycle=Ton/T)切成無數(shù)個小塊（如下圖的Vsw）。根據(jù)我們之前對電感的了解，我們知道電感的電流是不能瞬間改變的，如果正向的電壓加于電感的兩端會引起電感電流的增加。這個可以用以下微分公式來解釋：di/dt=(V)/L也就是說，當開關管閉合的時候，電感電壓為正，電流以(Vin-Vo)/L的斜率上升持續(xù)Ton;當開關管打開的時候，由于電感電流不能立即變?yōu)榱?，電流會從二極管續(xù)流從而導致電感兩段電壓為-Vo,以Vo/L的斜率下降。這樣等同于把電壓像切黃瓜一樣切成無數(shù)的小塊，而電感用其電流不能瞬變的特性，將電流連接了起來；并和

17、電容一起組成了LC濾波器，對輸出電壓電流起到了鏈接并平滑作用。StepUpBoostConverterBuckConverter只能做對電壓的向下轉(zhuǎn)換，而下面的BoostConverter是利用電感將能量儲存在磁芯元件中的原理，將電壓做向上轉(zhuǎn)換。如下圖所示，當開關管閉合的時候，電感電流升高，能量杯儲存在了電感里面；當開關管打開的時候，電流從二極管進行續(xù)流，電感兩端的電壓變?yōu)?（Vo-Vin），因此電感電流以（Vo-Vin）/L的斜率持續(xù)下降tOFF時間。因為在穩(wěn)定的狀態(tài)下，電感電流上升的幅度要等于下降的幅度。因此，同樣的道理，通過不同的切割電壓電流的方式，我們?nèi)我饨M合，來達到我們想要的輸出電流

18、電壓波形，這個就是電力電子的嶄波控制法(PWM,PulseWidthModulation)。下面讓我們再看看幾個更加貼近生活的應用。小型通用家庭電源及充電器我們的電網(wǎng)系統(tǒng)都是以220V/380V為主的市電配電系統(tǒng)，然而我們目前用的幾乎所有的現(xiàn)在家用電子設備，包括電腦，手機,LCD/LED電視機/顯示器，LED燈，USB充電器，用的都是直流系統(tǒng)。所以幾乎每一個電器都需要有一個交流轉(zhuǎn)低直流的電源系統(tǒng)，來作為主要或者輔助的電能供給系統(tǒng)。上面是JQH公司一個180W的通用電源的開放模塊，其中電感/變壓器(紅色部分）占了很大的體積。也就是說，當我們身邊的充電器及電源的體積越來越小的時候，也需要電感的越來越小以及頻率越來越高！太陽能逆變器太陽能電池的直接輸出一個變化的直流電壓電流，不能直接被電網(wǎng)中的客戶給使用。所以太陽能的系統(tǒng)中需要有一個帶MPPT(MaxPowerPointTracking)的DC/DC和并網(wǎng)用的DC/AC，統(tǒng)稱太陽能逆變器！下圖是一個典型的1kW的太陽能逆變器的解剖圖，紅圈部分都是電感等磁性元件，占到總部件的很大部分。無線充電裝置為了方便使用，無線充電(WPT,WirelessPowerTransfer)的概念已經(jīng)慢慢在手機，電動牙刷及電動汽車等電器設備中推廣開來。無論是采用感應式原理的