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談談電感鐵芯材料對電感參數的影響

發布時間：2019-01-22 責任編輯：lina

【導讀】電感器shiyizhongdianciganyingzujian，yongjueyuandedaoxianzairaoxianzhijiahuotiexinshangraozhiyidingzashudexianquanercheng，cixianquanchengweidianganxianquanhuodianganqi。genjudianciganyingyuanli，dangxianquanyucichangyouxiangduiyundong，huoshixianquantongguojiaoliudianliuchanshengjiaobiancichangshi，huichanshengganyingdianyalaidikangyuancichangbianhua，erciyizhidianliubianhuadetexingjiuchengweidiangan。

一、前言

dianganqishiyizhongdianciganyingzujian，yongjueyuandedaoxianzairaoxianzhijiahuotiexinshangraozhiyidingzashudexianquanercheng，cixianquanchengweidianganxianquanhuodianganqi。genjudianciganyingyuanli，dangxianquanyucichangyouxiangduiyundong，huoshixianquantongguojiaoliudianliuchanshengjiaobiancichangshi，huichanshengganyingdianyalaidikangyuancichangbianhua，erciyizhidianliubianhuadetexingjiuchengweidiangan。

電感值的公式如式（1）

談談電感鐵芯材料對電感參數的影響

，其與磁導率、繞組匝數N的平方、及等效磁路截麵積Ae成正比，而與等效磁路長度le成反比。電感的種類很多，各適用於不同的應用之中；電感量與線圈繞組的形狀、大小、繞線方式、匝數、及中間導磁材料的種類等有關。

電感依鐵芯形狀不同有環型、E型及工字鼓型；依鐵芯材質而言，主要有陶瓷芯及兩大軟磁類，分別是鐵氧體及粉末鐵芯等。依結構或封裝方式不同有繞線式、多層式及衝壓式，而繞線式又有非遮蔽式、加磁膠之半遮蔽式及遮蔽式等。

二、電感鐵芯種類

用於開關轉換器的電感器屬於高頻磁性組件，中心的鐵芯材料最是影響電感器之特性，如阻抗與頻率、電感值與頻率、或鐵芯飽和特性等。以下將介紹幾種常見的鐵芯材料及其飽和特性之比較，以作為選擇功率電感的重要參考：

1. 陶瓷芯

taocixinshichangjiandediangancailiaozhiyi，zhuyaoshiyonglaitigongxianquanraozhishisuoshiyongdezhichengjiegou，youbeichengwei。yinsuoshiyongdetiexinweifeidaocicailiao，juyoufeichangdidewenduxishu，zaicaozuowendufanweizhongdianganzhifeichangwending。raneryouyuyifeidaocicailiaoweijiezhi，dianganliangfeichangdi，bingbushihenshihedianyuanzhuanhuanqideyingyong。

2. 鐵氧體

一般高頻電感所用的鐵氧體鐵芯是含有鎳鋅或錳鋅之鐵氧體化合物，屬於矯頑磁力低的軟磁類鐵磁材料。圖1為一般磁鐵芯之磁滯曲線，磁性材料的矯頑磁力HCyichengweibaocili，xizhidangcixingcailiaoyicihuadaocibaohehou，shiqicihuaqiangdujianweilingshisuoxudecichangqiangdu。jiaowanlijiaodidaibiaodikangtuicinenglijiaodi，yeyiweizhecizhisunshijiaoxiao。

談談電感鐵芯材料對電感參數的影響

圖1：磁鐵芯之磁滯曲線

3. 粉末鐵芯

fenmotiexinyishuyuruancileitiecicailiao，shiyoubutongcailiaodetiefenhejinhuozhiyoutiefensuozhicheng，peifangzhongyoukelidaxiaobutongdefeidaocicailiao，yincibaohequxianjiaoweihuanhe。fenmotiexinduoyihuanxingchengxianjuduo，rutu2所示為粉末鐵芯及其截麵圖。

談談電感鐵芯材料對電感參數的影響

圖2：粉末鐵芯

4.常見的粉末鐵芯種類

A. 鐵鎳鉬合金

鐵鎳鉬合金簡稱MPP，相對磁導率約14～500，飽和磁通密度約7500 高斯，比鐵氧體的飽和磁通密度（約4000～5000 高斯）高出許多。MPP 具有最小的鐵損，在粉末鐵芯中，溫度穩定性最好。當外加直流電流達飽和電流ISAT 時，電感值緩慢降低，不會急劇衰減。MPP 的性能較佳，但成本較高，通常作為電源轉換器之功率電感及EMI 濾波之用。

B. 鐵矽鋁合金 (Sendust)

鐵矽鋁合金鐵芯是由鐵、矽、及鋁組成之合金鐵芯，相對磁導率約26～125。鐵損介於鐵粉芯與MPP 及鐵鎳合金之間。飽和磁通密度比MPP 高，約10500 高斯。溫度穩定性及飽和電流特性比MPP 及鐵鎳合金稍微遜色，但較鐵粉芯及鐵氧體鐵芯為佳，相對成本較MPP 及鐵鎳合金便宜。多應用於EMI 濾波、功因修正（PFC）電路及開關電源轉換器之功率電感。

C. 鐵鎳合金（high flux）

鐵鎳合金鐵芯是由鐵及鎳組合而成，相對磁導率約14～200，鐵損及溫度穩定性均介於MPP 及鐵矽鋁合金之間。鐵鎳合金鐵芯的飽和磁通密度最高，約15000 高斯，且可耐受直流偏置電流較高，其直流偏置特性也較好。應用範圍有功因修正、儲能電感、濾波電感、返馳式轉換器之高頻變壓器等。

三.電感電氣特性

在設計開關轉換器並挑選電感器時，電感值L、阻抗Z、交流電阻ACR 與Q 值、額定電流IDC 與ISAT、以及鐵芯損失等等重要的電氣特性都必須考慮。此外，電感器的封裝結構會影響漏磁大小，進而影響EMI。以下將分別探討上述之特性，以作為選擇電感器之考慮。

1. 電感值

電(dian)感(gan)器(qi)之(zhi)電(dian)感(gan)值(zhi)在(zai)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)時(shi)為(wei)最(zui)重(zhong)要(yao)的(de)基(ji)本(ben)參(can)數(shu)，但(dan)必(bi)須(xu)看(kan)在(zai)工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)下(xia)此(ci)電(dian)感(gan)值(zhi)是(shi)否(fou)穩(wen)定(ding)。電(dian)感(gan)的(de)標(biao)稱(cheng)值(zhi)通(tong)常(chang)是(shi)在(zai)沒(mei)有(you)外(wai)加(jia)直(zhi)流(liu)偏(pian)置(zhi)的(de)條(tiao)件(jian)下(xia)，以(yi)100 kHz 或1 MHz 所量得。且為確保大量自動化生產的可能性，電感之容差值（tolerance）通常是 ±20%（M）與±30%（N）居多。圖3為利用表量測電感220M 之電感－頻率特性圖，如圖所示，在5 MHz zhiqiandianganzhidequxianjiaoweipingtan，dianganzhijihukeshiweichangshu。zaigaopinduanyinjishengdianrongyudiangansuochanshengdexiezhen，dianganzhihuishangsheng，cixiezhenpinlvchengweiziwoxiezhenpinlv，tongchangxuyuangaoyugongzuopinlv。

談談電感鐵芯材料對電感參數的影響

圖3：220M 電感-頻率特性之量測圖

2. 阻抗

如圖4，從阻抗圖也可以看出電感在不同頻率下的表現。電感的阻抗約與頻率成正比（Z=2πfL），因此頻率愈高，電抗會比交流電阻大很多，所以阻抗表現就如同純電感（相位為90˚）。而再往高頻，由於寄生電容效應，可以看到阻抗的自我諧振頻率點，過了此點阻抗下降呈現電容性，且相位逐漸轉為-90 ˚。

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圖4：220M 之阻抗－頻率特性

3. 飽和電流

飽和電流ISAT 一般是標注在電感值衰減如10%、30%或40%之情況下的偏置電流。以氣隙鐵氧體而言，因其飽和電流特性非常急遽，10%與40%相差不大。但如果是鐵粉芯（如衝壓式電感），飽和曲線比較緩，電感衰減10%或40%的偏置電流相差很多，因此就飽和電流值。

4. 額定電流

IDC 值為當電感溫升為Tr˚C 時的直流偏置。規格書同時標注其在20˚C 的直流電阻值RDC。依銅導線的溫度係數約為3,930 ppm，在Tr 溫升時，其電阻值為RDC_Tr = RDC（1+0.00393Tr），其功耗為PCU = I2DCxRDC。此銅損功耗在電感器表麵散逸，可計算出電感的熱阻ΘTH：

談談電感鐵芯材料對電感參數的影響

5. 鐵芯損失

鐵芯損失，簡稱鐵損，主要由渦流損與磁滯損造成。渦流損大小主要是看鐵芯材料是否容易「導電」；ruodaodianlvgao，jidianzulvdi，woliusunjiugao，rutieyangtidedianzulvgao，qiwoliusunjiuxiangduidedi。woliusunyeyupinlvyouguan，pinlvyugao，woliusunyuda，yincitiexincailiaohuijuedingtiexinshidangdegongzuopinlv。yibaneryan，tiefenxindegongzuopinlvkedao1MHz，而鐵氧體的工作頻率則可到10MHz。若(ruo)工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)超(chao)過(guo)此(ci)頻(pin)率(lv)，則(ze)渦(wo)流(liu)損(sun)會(hui)快(kuai)速(su)增(zeng)加(jia)，鐵(tie)芯(xin)溫(wen)度(du)也(ye)會(hui)提(ti)高(gao)。然(ran)而(er)，隨(sui)著(zhe)鐵(tie)芯(xin)材(cai)料(liao)日(ri)新(xin)月(yue)異(yi)，更(geng)高(gao)工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)的(de)鐵(tie)芯(xin)應(ying)是(shi)指(zhi)日(ri)可(ke)待(dai)。

另一個鐵損是磁滯損，其與磁滯曲線所圍之麵積成正比，即與電流交流成份的擺動（swing）幅度有關；交流擺幅愈大，磁滯損也愈大。在電感器之等效電路中，常用一個並聯於電感的電阻來表示鐵損。當頻率等於SRF shi，diangankanghedianrongkangdixiao，dengxiaodiankangweiling，cishidianganqizhizukangjidengxiaoyucitiesundianzuchuanlianraoxiandianzu，qietiesundianzuyiyuandayuraoxiandianzu，suoyizaiSRF 時的阻抗就約等於鐵損電阻。以一低壓電感為例，其鐵損電阻約在20kΩ 左右，若以電感兩端的有效值電壓5V 來估算，其鐵損約為1.25mW，這也說明了鐵損電阻愈大愈好。

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