電感磁芯損耗（主要包括磁滯損耗和渦流損耗兩部分）的特性是功率材料的一個最主要的指標(biāo)，它影響甚至決定了整機的工作效率、溫升、可靠性。

 

什么是電感？

 

電感是把電能轉(zhuǎn)化為磁能而存儲起來的元件，它只阻礙電流的變化，有通電與未通電兩種狀態(tài)，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。

 

電感磁芯是由線圈和磁芯以及封裝材料組成的，線圈主要起導(dǎo)電作用，即磁芯是由磁導(dǎo)率高的材料組成，把磁場緊密地約束在電感元件周圍增大電感。磁芯是由傳統(tǒng)的硅鋼片，到鐵粉, 鐵氧體, 鐵硅等變化。

 

電感磁芯損耗

 

1、磁滯損耗

 

磁芯材料磁化時，送到磁場的能量有2部分，一部分轉(zhuǎn)化為勢能，即去掉外磁化電流時，磁場能量可以返回電路；而另一部分變?yōu)榭朔Σ潦勾判景l(fā)熱消耗掉，這就是磁滯損耗。

 

磁滯回線，如下圖：

 

 

磁化曲線中陰影部分的面積代表了在一個工作周期內(nèi)，磁芯在磁化過程中由磁滯現(xiàn)象引起的能量損耗。如上圖可知，影響損耗面積大小幾個參數(shù)是：最大工作磁通密度B、最大磁場強度H、剩磁Br、矯頑力Hc，其中B和H取決于外部的電場條件和磁芯的尺寸參數(shù)，而Br和Hc取決于材料特性。電感磁芯每磁化一周期，就要損耗與磁滯回線包圍面積成正比的能量，頻率越高，損耗功率越大，磁感應(yīng)擺幅越大，包圍面積越大，磁滯損耗越大。

 

2、渦流損耗

 

在磁芯線圈中加上交流電壓時﹐線圈中流過激勵電流﹐激磁安匝產(chǎn)生的全部磁通Φi在磁芯中通過﹐如下圖。磁芯本身是導(dǎo)體﹐磁芯截面周圍將鏈合全部磁通Φi而構(gòu)成單匝的副邊線圈。

 

磁芯中的渦流

 

根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知：U= NdΦ/d t；每一匝的感應(yīng)電勢﹐即磁芯截面最大周邊等效一匝感應(yīng)電勢為

 

 

因為磁芯材料的電阻率不是無限大﹐繞著磁芯周邊有一定的電阻值﹐感應(yīng)電壓產(chǎn)生電流ie即渦流，流過這個電阻，引起ie2R損耗﹐即渦流損耗。

 

3、剩余損耗

 

剩余損耗是由于磁化弛豫效應(yīng)或磁性滯后效應(yīng)引起的損耗。所謂弛豫是指在磁化或反磁化的過程中，磁化狀態(tài)并不是隨磁化強度的變化而立即變化到它的最終狀態(tài)，而是需要一個過程，這個‘時間效應(yīng)’便是引起剩余損耗的原因。它主要是在高頻1MHz以上一些馳豫損耗和旋磁共振等，在開關(guān)電源幾百KHz的電力電子場合剩余損耗比例非常低，可以近似忽略。

 

選擇合適的磁芯，要考慮不同的B-H曲線和頻率特性，因為B-H曲線決定了電感的高頻損耗，飽和曲線及電感量。因為渦流一方面引起電阻損耗，導(dǎo)致磁材料發(fā)熱，并引起激磁電流加大，另一方面減少磁芯有效導(dǎo)磁面積。所以盡量選擇電阻率高的磁性材料或采用碾軋成帶料的形式以減少渦流損耗。因此，鉑科新材料NPH-L適用于更高頻率、高功率器件的低損耗金屬粉芯。如圖所示：

 

 

磁芯損耗是磁芯材料內(nèi)交替磁場引致的結(jié)果。某一種材料所產(chǎn)生的損耗，是操作頻率與總磁通擺幅(ΔB)的函數(shù)，從而降低了有效傳導(dǎo)損耗。磁芯損耗是由磁芯材料的磁滯、渦流和剩余損耗引起的。所以，磁芯損耗是磁滯損耗、渦流損耗和剩磁損耗的總和。公式如下：

 

 

磁滯損耗為磁滯現(xiàn)象產(chǎn)生的功率損耗，正比于磁滯回線包圍的面積。當(dāng)穿過磁芯的磁場發(fā)生變化時磁芯內(nèi)產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生的損耗叫做渦流損耗。剩余損耗是除了磁滯損耗和渦流損耗以外其他所有損耗。

 

 

這一公式是用于測定磁通密度的峰值，與磁芯損耗曲線并用，應(yīng)用在正弦波上，在這狀態(tài)下，磁芯產(chǎn)生—種磁通密度峰與峰之間的擺幅(ΔB)，這一擺幅是上述公式所計算出的磁芯損耗磁通密度峰值的兩倍，如下圖所示：

 

 

總結(jié)：在總損耗主要是由磁芯損耗而不是銅損耗引起的電感器用途上，可用磁導(dǎo)率較低的磁芯材料改進。

 

 

推薦閱讀：