常见电感磁环材料种类和特性分析

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常见电感磁环材料种类和特性分析

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关键词：电感器 电感线圈 开关转换器

一、前言

电感器是一种电磁感应组件，用绝缘的导线在绕线支架或铁芯上绕制一定匝数的线圈而成，此线圈称为电感线圈或电感器。根据电磁感应原理，当线圈与磁场有相对运动，或是线圈通过交流电流产生交变磁场时，会产生感应电压来抵抗原磁场变化，而此抑制电流变化的特性就称为电感。

电感值的公式如式（1）

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其与磁导率、绕组匝数N的平方、及等效磁路截面积Ae成正比，而与等效磁路长度le成反比。电感的种类很多，各适用于不同的应用之中；电感量与线圈绕组的形状、大小、绕线方式、匝数、及中间导磁材料的种类等有关。

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电感依铁芯形状不同有环型、E型及工字鼓型；依铁芯材质而言，主要有陶瓷芯及两大软磁类，分别是铁氧体及粉末铁芯等。依结构或封装方式不同有绕线式、多层式及冲压式，而绕线式又有非遮蔽式、加磁胶之半遮蔽式及遮蔽式等。

二、电感铁芯种类

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用于开关转换器的电感器属于高频磁性组件，中心的铁芯材料最是影响电感器之特性，如阻抗与频率、电感值与频率、或铁芯饱和特性等。以下将介绍几种常见的铁芯材料及其饱和特性之比较，以作为选择功率电感的重要参考：

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1. 陶瓷芯

陶瓷芯是常见的电感材料之一，主要是用来提供线圈绕制时所使用的支撑结构，又被称为。因所使用的铁芯为非导磁材料，具有非常低的温度系数，在操作温度范围中电感值非常稳定。然而由于以非导磁材料为介质，电感量非常低，并不是很适合电源转换器的应用。

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2. 铁氧体

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一般高频电感所用的铁氧体铁芯是含有镍锌或锰锌之铁氧体化合物，属于矫顽磁力低的软磁类铁磁材料。图1为一般磁铁芯之磁滞曲线，磁性材料的矫顽磁力HC亦称为保磁力，系指当磁性材料已磁化到磁饱和后，使其磁化强度减为零时所需的磁场强度。矫顽力较低代表抵抗退磁能力较低，也意味着磁滞损失较小。

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图1：磁铁芯之磁滞曲线

3. 粉末铁芯

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粉末铁芯亦属于软磁类铁磁材料，是由不同材料的铁粉合金或只有铁粉所制成，配方中有颗粒大小不同的非导磁材料，因此饱和曲线较为缓和。粉末铁芯多以环型呈现居多，如图2所示为粉末铁芯及其截面图。

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图2：粉末铁芯

4.常见的粉末铁芯种类

A. 铁镍钼合金

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铁镍钼合金简称MPP，相对磁导率约14～500，饱和磁通密度约7500 高斯，比铁氧体的饱和磁通密度（约4000～5000 高斯）高出许多。MPP 具有最小的铁损，在粉末铁芯中，温度稳定性最好。当外加直流电流达饱和电流ISAT 时，电感值缓慢降低，不会急剧衰减。MPP 的性能较佳，但成本较高，通常作为电源转换器之功率电感及EMI 滤波之用。

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B. 铁硅铝合金 (Sendust)

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铁硅铝合金铁芯是由铁、硅、及铝组成之合金铁芯，相对磁导率约26～125。铁损介于铁粉芯与MPP 及铁镍合金之间。饱和磁通密度比MPP 高，约10500 高斯。温度稳定性及饱和电流特性比MPP 及铁镍合金稍微逊色，但较铁粉芯及铁氧体铁芯为佳，相对成本较MPP 及铁镍合金便宜。多应用于EMI 滤波、功因修正（PFC）电路及开关电源转换器之功率电感。

C. 铁镍合金（high flux）

铁镍合金铁芯是由铁及镍组合而成，相对磁导率约14～200，铁损及温度稳定性均介于MPP 及铁硅铝合金之间。铁镍合金铁芯的饱和磁通密度最高，约15000 高斯，且可耐受直流偏置电流较高，其直流偏置特性也较好。应用范围有功因修正、储能电感、滤波电感、返驰式转换器之高频变压器等。

三.电感电气特性

在设计开关转换器并挑选电感器时，电感值L、阻抗Z、交流电阻ACR 与Q 值、额定电流IDC 与ISAT、以及铁芯损失等等重要的电气特性都必须考虑。此外，电感器的封装结构会影响漏磁大小，进而影响EMI。以下将分别探讨上述之特性，以作为选择电感器之考虑。

1. 电感值

电感器之电感值在电路设计时为最重要的基本参数，但必须看在工作频率下此电感值是否稳定。电感的标称值通常是在没有外加直流偏置的条件下，以100 kHz 或1 MHz 所量得。且为确保大量自动化生产的可能性，电感之容差值（tolerance）通常是 ±20%（M）与±30%（N）居多。图3为利用表量测 电感220M 之电感－频率特性图，如图所示，在5 MHz 之前电感值的曲线较为平坦，电感值几乎可视为常数。在高频段因寄生电容与电感所产生的谐振，电感值会上升，此谐振频率称为自我谐振频率，通常需远高于工作频率。

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图3：220M 电感-频率特性之量测图

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2. 阻抗

如图4，从阻抗图也可以看出电感在不同频率下的表现。电感的阻抗约与频率成正比（Z=2πfL），因此频率愈高，电抗会比交流电阻大很多，所以阻抗表现就如同纯电感（相位为90˚）。而再往高频，由于寄生电容效应，可以看到阻抗的自我谐振频率点，过了此点阻抗下降呈现电容性，且相位逐渐转为-90 ˚。

图4：220M 之阻抗－频率特性

3. 饱和电流

饱和电流ISAT 一般是标注在电感值衰减如10%、30%或40%之情况下的偏置电流。以气隙铁氧体而言，因其饱和电流特性非常急遽，10%与40%相差不大。但如果是铁粉芯（如冲压式电感），饱和曲线比较缓，电感衰减10%或40%的偏置电流相差很多，因此就饱和电流值。

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4. 额定电流   

IDC 值为当电感温升为Tr˚C 时的直流偏置。规格书同时标注其在20˚C 的直流电阻值RDC。依铜导线的温度系数

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约为3,930 ppm，在Tr 温升时，其电阻值为RDC_Tr = RDC（1+0.00393Tr），其功耗为PCU = I2DCxRDC。此铜损功耗在电感器表面散逸，可计算出电感的热阻ΘTH：

5. 铁芯损失

铁芯损失，简称铁损，主要由涡流损与磁滞损造成。涡流损大小主要是看铁芯材料是否容易「导电」；若导电率高，即电阻率低，涡流损就高，如铁氧体的电阻率高，其涡流损就相对的低。涡流损也与频率有关，频率愈高，涡流损愈大，因此铁芯材料会决定铁芯适当的工作频率。一般而言，铁粉芯的工作频率可到1MHz，而铁氧体的工作频率则可到10MHz。若工作频率超过此频率，则涡流损会快速增加，铁芯温度也会提高。然而，随着铁芯材料日新月异，更高工作频率的铁芯应是指日可待。

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另一个铁损是磁滞损，其与磁滞曲线所围之面积成正比，即与电流交流成份的摆动（swing）幅度有关；交流摆幅愈大，磁滞损也愈大。在电感器之等效电路中，常用一个并联于电感的电阻来表示铁损。当频率等于SRF 时，电感抗和电容抗抵消，等效电抗为零，此时电感器之阻抗即等效于此铁损电阻串联绕线电阻，且铁损电阻已远大于绕线电阻，所以在SRF 时的阻抗就约等于铁损电阻。以一低压电感为例，其铁损电阻约在20kΩ 左右，若以电感两端的有效值电压5V 来估算，其铁损约为1.25mW，这也说明了铁损电阻愈大愈好。

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