【導(dǎo)讀】近年來，中國汽車電子市場進(jìn)入快速發(fā)展時期，帶動了對磁性元件的需求。由于汽車運(yùn)行環(huán)境的惡劣、振動大、溫度高等特殊要求，對磁性元件產(chǎn)品品質(zhì)要求就顯得特別嚴(yán)格。

 

 

一、電感器的工作原理

 

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(dǎo)線卷繞的樣子，當(dāng)有電流通過時，會從電流流過方向的右邊產(chǎn)生磁場。

 

當(dāng)交流電通過電感時，電流產(chǎn)生的磁場將其他的繞線切隔，因而產(chǎn)生反向電壓，從而阻礙電流變化。反之當(dāng)電流減少時，則向電流增加的方向產(chǎn)生。

 

 

若電流的方向逆轉(zhuǎn)，反向電壓也同樣會產(chǎn)生。在電流被反向電壓阻礙之前，電流的流向會發(fā)生逆轉(zhuǎn)，因而電流就無法流過。所以說電感器是可以讓直流電通過，而通不過交流電的元器件。

 

 

二、電感器的分類

 

電感器有很多種，市場上也出現(xiàn)了各種電感產(chǎn)品，如高頻電路用電感器、電源電感器、以及一般電路用電感器等。今天漫談君著重為大家講解電源電感器，即功率電感器。

 

 

三、功率電感器

 

1功率電感器的作用

 

功率電感器一般用于電源處，能承受較大電流。電源電路中的電感器的主要用途有“變換電壓用”以及“扼流用”，并被用于各種電子設(shè)備中。

 

 

2功率電感器的應(yīng)用

 

功率電感器廣泛應(yīng)用于通訊、醫(yī)療保健、工業(yè)、家電以及汽車電子等領(lǐng)域，特別是汽車電子中的汽車信息娛樂設(shè)備，動力傳輸/安全設(shè)備等。近幾年來，新能源汽車不斷得到發(fā)展，包括混合動力汽車（HEV）、增程式混合動力汽車（PHEV）、純電動汽車（EV）以及燃料電池車（FCV）等，在這些新能源汽車中，需要使用到不同電壓等級的電源系統(tǒng)。

 

DC/DC變換器成為新能源汽車設(shè)計開發(fā)不可或缺的關(guān)鍵部件，而功率電感是DC/DC變換器不可或缺的器件，可以提供大電流，高電感，其通過積累并釋放能量來保持連續(xù)的電流。

 

3不同功率電感器的比較

 

以村田公司生產(chǎn)的功率電感器為例，從產(chǎn)品工藝上可分為繞線電感和疊層電感，從材料上可分為金屬合金粉（一體成型）電感和鐵氧體電感。與鐵氧體電感相比，金屬合金電感有以下特點：

 

 

1）具有很高的磁飽和特性

 

當(dāng)電流急劇增加時，金屬合金電感的感值衰減比較緩慢，避免了鐵氧體電感的感值快速衰減造成的短路及誤操作的風(fēng)險。

 

同時，針對溫度的變化，金屬合金粉材質(zhì)的電感衰減比鐵氧體要緩慢很多。

 

 

2）更小的外形尺寸

 

同等特性時（感值、飽和電流等），金屬合金功率電感比鐵氧體功率電感的外形尺寸小50%左右，可以實現(xiàn)小型化和薄型化。

 

 

3）可有效抑制人耳能聽到的嘯叫噪聲

 

當(dāng)大電流通過線圈時，對于鐵氧體構(gòu)造的電感來說，磁場集中在磁性材料的粘合部位，從而會產(chǎn)生磁伸縮現(xiàn)象，磁性線會發(fā)生微小振動，產(chǎn)生keen sounders (核心響聲)的現(xiàn)象，從而引起嘯叫。

 

對于金屬合金構(gòu)造的電感來說，因為形成線圈的磁性材料是微粒的，所以磁場較分散；一體成型構(gòu)造也能夠控制線材的振動，從而很難產(chǎn)生嘯叫問題。

 

 

4）EMC性能好，可有效抑制磁泄露

 

 

5）耐沖擊，可靠性好

 

金屬合金電感是一體成型的結(jié)構(gòu)具有很高的機(jī)械強(qiáng)度，特別適合移動設(shè)備和汽車電子的應(yīng)用。金屬合金電感適用于汽車的嚴(yán)苛溫度刻環(huán)境的要求。

 

 

四、DC/DC變換器

 

電動汽車中的電動機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍很寬，行駛過程中頻繁加速、減速，而且在電動汽車運(yùn)行過程中蓄電池電壓的變化范圍也是很大的，在這樣的條件下如果用蓄電池組直接驅(qū)動電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，會造成電動機(jī)驅(qū)動性能的惡化，使用DC/DC變換器可以將蓄電池組的電壓在一定的負(fù)載范圍內(nèi)穩(wěn)定在一個相對較高的電壓值，從而可明顯提高電動機(jī)的驅(qū)動性能。

 

另一方面，DC/DC變換器可以將電動機(jī)制動剎車時由機(jī)械能轉(zhuǎn)化而來的電能回饋給蓄電池組，其效率高達(dá)85%~95%，遠(yuǎn)大于發(fā)電機(jī)的正常效率。以可控的方式給蓄電池組充電，尤其是在電動汽車需要頻繁啟動和制動的城市工況運(yùn)行條件下，可以有效地回收制動能量，增加電動汽車的行駛里程。因此，電動汽車采用DC/DC變換器可以優(yōu)化電動機(jī)控制、提高電動汽車的整體效率和性能。下圖為電動汽車的系統(tǒng)架構(gòu)圖。

 

 

作為電動汽車的供電設(shè)備，DC/DC變換器也給車載電子設(shè)備供電。根據(jù)純電動汽車車載電子設(shè)備不同屬性，可把用電設(shè)備分為長期用電設(shè)備、連續(xù)用電設(shè)備、短時間間歇用電設(shè)備和EV附加用電設(shè)備等四種類型，如下圖所示。同時，DC/DC變換器的體積和種類都很小且輸出穩(wěn)定。

 

 

DC/DC變換器主要分為如下三類：

 

 

1BOOST DC/DC

 

新能源汽車上使用的BOOST DC-DC變換器主要用于高壓系統(tǒng)的升級，將動力電池系統(tǒng)的電壓等級再行升高， 以匹配更高等級的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。BOOST DC/DC 變換器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖下圖所示。

 

 

BOOST DC/DC 變換器有如下的特點：

 

1）需要能夠控制功率流的雙向流動，以能確保動力電池的充放電功能；

 

2） 功率大小需要匹配電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的功率需求，一般與電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)集成設(shè)計， 共用其冷卻方式；

 

3）采用非隔離的設(shè)計拓?fù)浞绞?，?般 采 用 普 通 的BUCK-BOOST 拓?fù)浞绞剑?設(shè)計較簡單；

 

4）電路拓?fù)浜唵?，但在整車設(shè)計開發(fā)中需要配合動力電池和電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)一起來控制， 配合整車方面的控制較為復(fù)雜。

 

在汽車應(yīng)用中，目前車燈廣泛采用LED光源，因此會用到Boost DC/DC和Buck DC/DC等轉(zhuǎn)換器。

 

 

2BUCK DC/DC

 

BUCK DC/DC變換器一般代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽車的交流發(fā)電機(jī)，提供低壓蓄電池及低壓電器設(shè)備的電源。由于是高壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為低壓安全系統(tǒng)，這類DC/DC變換器一般需要進(jìn)行隔離化設(shè)計，相比BOOST DC/DC變換器而言整體效率有所下降，但總的設(shè)計功率也小很多，一般為1.5kW到2.5kW左右，設(shè)計功率以匹配整車低壓電器負(fù)載為原則。

 

BUCK DC/DC變換器一般采用三種拓?fù)湓O(shè)計：全橋變換器、半橋變換器和組合式正激變換器。其中全橋和半橋變換器設(shè)計的變壓器磁芯雙向磁化，磁芯利用率高，功率管使用較多，有橋臂直通的風(fēng)險，控制及驅(qū)動較為復(fù)雜，比較適應(yīng)大功率輸出的設(shè)計，如國外的整車廠商一般采用此拓?fù)洌β实燃壎荚?kW以上，通過復(fù)雜的控制，可以實現(xiàn)功率流的雙向變換。國內(nèi)的整車廠商從成本和設(shè)計可靠性考慮，一般使用組合式的正激變換器拓?fù)?，功率等級限制?kW以內(nèi)，只能實現(xiàn)能量的單向流動，設(shè)計上簡單，功能上可靠。

 

在汽車應(yīng)用中，BMC、VCU等方面會用到Buck DC/DC變換器，如將12V蓄電池電壓轉(zhuǎn)為5V電壓，來給相應(yīng)電路供電。

 

 

 

3BOOST-BUCK DC/DC

 

由于車內(nèi)的低壓電器設(shè)備較多，在不同的工況下的低壓功率需求差異很大，即使有+12V蓄電池穩(wěn)壓的情況下，仍不能保證+12V的低壓電源是穩(wěn)定可靠的，如在起動機(jī)啟動引擎時候，蓄電池瞬間可以跌落到6V，這樣使用低壓穩(wěn)壓的DC/DC 變換器來進(jìn)行有效的穩(wěn)壓變得必要。如一些高級配置常規(guī)車，配備低壓穩(wěn)壓的DC/DC變換器，提供車載電腦的穩(wěn)壓；新能源汽車中控制動力分配、驅(qū)動的核心單元，使用低壓穩(wěn)壓的DC/DC變換器來穩(wěn)壓，以提供整車系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性。

 

 

對于DC/DC變換器，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)很多EMI問題來自于電路中的電源部分，針對此問題，可以有一些整改方案。從噪音模式的分類來說，分為差模噪音和共模噪音。

 

1）針對差模噪音，可以追加差模濾波器。

 

如PI型濾波，作為3階濾波器，EMC效果很好。其中電感可以使用MDH/DFEG/DFEGH系列產(chǎn)品。

 

 

 

2）針對共模噪音，一般建議在DC/DC變換器的輸入端或者輸出端加共模扼流圈。

 

圖中涉及到的共模扼流圈僅為參考，具體選取需要結(jié)合噪音頻段來看。

 

 

五、DC/DC變換器主電路參數(shù)設(shè)計

 

以隔離式DC/DC變換器為例，首先要確定樣機(jī)主要參數(shù)要求，如輸入電壓（變化范圍）、輸出電壓、輸出電壓紋波、輸出電流、開關(guān)頻率、效率等。

 

1主變壓器設(shè)計

 

髙頻功率變壓器是設(shè)計一款隔離式變換器最為重要的元件之一，具有傳送能量、變換電壓和隔離三大作用，許多其他主電路參數(shù)的設(shè)計都依賴于變壓器的參數(shù)，變壓器設(shè)計的好壞將直接影響變換器的體積、效率和可靠性等性能。

 

最常用的變頻變壓器設(shè)計方法有兩種：AP法和KG法。所謂AP法是指先計算出磁芯的窗口面積AW和磁芯的有效截面積Ae的乘積AP，AP代表了磁芯的體積和可能轉(zhuǎn)換的功率，根據(jù)AP選擇磁芯。AP法是求出磁心的幾何參數(shù)，再根據(jù)幾何參數(shù)選擇磁芯。本設(shè)計采用AP法。

 

1）選擇磁芯

 

每種材料的磁芯都有一個允許的最大磁通密度變化量△B，采用的磁芯材料△B越大，變壓器的繞組膽數(shù)越少，則變壓器繞組的通流能力越強(qiáng)。然而，過大的△B極易造成變壓器的磁芯發(fā)生飽和。由磁芯的磁滯回線可見，允許的最大磁通密度變化量△B應(yīng)為飽和磁通的2倍。通常來說，選擇△B時應(yīng)留有一定的裕量，以防止變壓器磁芯飽和的發(fā)生。

 

先計算變壓器的視在功率。設(shè)變壓器的功率傳輸效率η=0.95，輸出最大電壓紋波為輸出電壓,1%，對于次級采用倍流整流電路的全橋變換器，其視在功率計算如下：

 

 

再計算AP值：

 

 

其中：

 

K0——窗口利用系數(shù)，一般取0.4

 

Kf——波形系數(shù)，方波的波形系數(shù)為4

 

fs——工作頻率

 

Kj——溫度25℃時的電流密度系數(shù)

 

X——常數(shù)，由磁芯決定

 

2）變比N

 

變壓器的變比與變換器的傳輸功率、主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及占空比相關(guān)。越大，變壓器原邊的電流越小，原邊總的損耗越小，同時副邊整流管要承受的電壓應(yīng)力也越小，變壓器的效率越高。同時，應(yīng)能滿足在所有輸入電壓范圍內(nèi)都能得所需要的輸出電壓，因此，在計算變壓器變比的時候應(yīng)考慮在最小輸入電壓情況下輸出滿載且占空比最大進(jìn)行。

 

 

3）原邊繞組匝數(shù)Np

 

 

4）副邊繞組匝數(shù)Ns

 

 

5）繞組導(dǎo)線的選擇

 

在選擇高頻變壓器的繞組導(dǎo)線時必須考慮趨膚效應(yīng)的影響。當(dāng)有交流通過導(dǎo)體時，變化的電磁場會在導(dǎo)體旳內(nèi)部形成禍流效應(yīng)，與通過導(dǎo)體內(nèi)部的電流相抵消。從導(dǎo)體表面往導(dǎo)體中心這種現(xiàn)象越來越明顯，因此，在有高頻電流通過導(dǎo)體時，通過導(dǎo)體的電流密度越往導(dǎo)體中心越小，導(dǎo)體的中心幾乎沒有電流通過，電流只在導(dǎo)體的邊緣部分流過。這種現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)。常用的減小趨膚效應(yīng)的影響的方法是采用多股導(dǎo)線并繞，其單股導(dǎo)線的線徑應(yīng)小于穿透深度的2倍。

 

2輸出濾波電感設(shè)計

 

1）電感值的計算

 

輸出濾波電感值的計算首先要滿足輸出電流紋波△i0的要求，在滿足紋波要求的前提下，盡量選擇較小的電感，以提高變換器的動態(tài)性能。

 

 

式中：

 

V0——輸出電壓

 

D——全橋占空比

 

△iL——最大的輸出濾波電感的最大電流峰值

 

fs——工作頻率

 

 

2）濾波電感的設(shè)計

 

濾波電感的設(shè)計同樣采用法。當(dāng)變換器的輸出滿載時，可得輸出濾波電感上的電流峰值為：

 

 

根據(jù)實際情況，選擇合適的電感器，計算出AP值，看是否滿足設(shè)計的功率要求。

 

3輸出濾波電容的計算

 

輸出濾波電容的選擇應(yīng)考慮工作頻率、輸出電流紋波、輸出電壓紋波和能量儲存能力。電解電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）會隨開關(guān)工作頻率的變化而變化。輸出電壓的紋波由以下公式給出：

 

 

 

通常在選擇輸出濾波電感時，先忽略等效串聯(lián)電阻，并取較大的裕量。

 

4開關(guān)管的選擇

 

1）全橋開關(guān)管的選擇

 

每個全橋開關(guān)管承受的漏源電壓應(yīng)力為輸入電壓，最大為360V，考慮1.5倍的安全裕量，全橋開關(guān)管的耐壓值至少為540V。流過全橋開關(guān)管的電流就是變壓器原邊的電流，可由負(fù)載電流折算至原邊得出。由下式可計算得到全橋開關(guān)管的通態(tài)峰值電流：

 

 

2）同步整流管的選擇

 

同步整流管應(yīng)承受的最大漏源電壓應(yīng)力為360V/N，同時考慮2倍的安全裕量，同步整流器的通態(tài)峰值電流可由下式計算：

 

 

六、結(jié)語

 

近年來，隨著移動設(shè)備、家電、汽車、工業(yè)設(shè)備等全部設(shè)備中，組件的小型化、多機(jī)能化、高性能化、省電化不斷發(fā)展，搭載的電子元件就更加要求小型/薄型化且高性能化。

 

其中，組件的核心電源電路伴隨著DC/DC變換器IC的高速轉(zhuǎn)換，以及使用的電感器的低阻抗化的進(jìn)一步發(fā)展，也越來越要求小型/薄型化、低直流阻抗、對應(yīng)大電流以及高可靠性，這對新型電感器的研發(fā)提出了更高的要求。