一、前言

 

電感器是一種電磁感應(yīng)組件，用絕緣的導(dǎo)線在繞線支架或鐵芯上繞制一定匝數(shù)的線圈而成，此線圈稱為電感線圈或電感器。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)線圈與磁場(chǎng)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，或是線圈通過(guò)交流電流產(chǎn)生交變磁場(chǎng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓來(lái)抵抗原磁場(chǎng)變化，而此抑制電流變化的特性就稱為電感。

 

電感值的公式如式（1）

 

 

，其與磁導(dǎo)率、繞組匝數(shù)N的平方、及等效磁路截面積Ae成正比，而與等效磁路長(zhǎng)度le成反比。電感的種類很多，各適用于不同的應(yīng)用之中；電感量與線圈繞組的形狀、大小、繞線方式、匝數(shù)、及中間導(dǎo)磁材料的種類等有關(guān)。

  

電感依鐵芯形狀不同有環(huán)型、E型及工字鼓型；依鐵芯材質(zhì)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(jié)構(gòu)或封裝方式不同有繞線式、多層式及沖壓式，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

    

用于開關(guān)轉(zhuǎn)換器的電感器屬于高頻磁性組件，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(jiàn)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

    

陶瓷芯是常見(jiàn)的電感材料之一，主要是用來(lái)提供線圈繞制時(shí)所使用的支撐結(jié)構(gòu)，又被稱為。因所使用的鐵芯為非導(dǎo)磁材料，具有非常低的溫度系數(shù)，在操作溫度范圍中電感值非常穩(wěn)定。然而由于以非導(dǎo)磁材料為介質(zhì)，電感量非常低，并不是很適合電源轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用。

 

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，屬于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HC亦稱為保磁力，系指當(dāng)磁性材料已磁化到磁飽和后，使其磁化強(qiáng)度減為零時(shí)所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度。矯頑力較低代表抵抗退磁能力較低，也意味著磁滯損失較小。

 

圖1：磁鐵芯之磁滯曲線

 

3. 粉末鐵芯

    

粉末鐵芯亦屬于軟磁類鐵磁材料，是由不同材料的鐵粉合金或只有鐵粉所制成，配方中有顆粒大小不同的非導(dǎo)磁材料，因此飽和曲線較為緩和。粉末鐵芯多以環(huán)型呈現(xiàn)居多，如圖2所示為粉末鐵芯及其截面圖。

 

圖2：粉末鐵芯

 

4.常見(jiàn)的粉末鐵芯種類

 

A. 鐵鎳鉬合金

    

鐵鎳鉬合金簡(jiǎn)稱MPP，相對(duì)磁導(dǎo)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(wěn)定性最好。當(dāng)外加直流電流達(dá)飽和電流ISAT 時(shí)，電感值緩慢降低，不會(huì)急劇衰減。MPP 的性能較佳，但成本較高，通常作為電源轉(zhuǎn)換器之功率電感及EMI 濾波之用。

 

B. 鐵硅鋁合金 (Sendust)

    

鐵硅鋁合金鐵芯是由鐵、硅、及鋁組成之合金鐵芯，相對(duì)磁導(dǎo)率約26～125。鐵損介于鐵粉芯與MPP 及鐵鎳合金之間。飽和磁通密度比MPP 高，約10500 高斯。溫度穩(wěn)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(duì)成本較MPP 及鐵鎳合金便宜。多應(yīng)用于EMI 濾波、功因修正（PFC）電路及開關(guān)電源轉(zhuǎn)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(duì)磁導(dǎo)率約14～200，鐵損及溫度穩(wěn)定性均介于MPP 及鐵硅鋁合金之間。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(yīng)用范圍有功因修正、儲(chǔ)能電感、濾波電感、返馳式轉(zhuǎn)換器之高頻變壓器等。

 

三.電感電氣特性

    

在設(shè)計(jì)開關(guān)轉(zhuǎn)換器并挑選電感器時(shí)，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(jié)構(gòu)會(huì)影響漏磁大小，進(jìn)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

    

電感器之電感值在電路設(shè)計(jì)時(shí)為最重要的基本參數(shù)，但必須看在工作頻率下此電感值是否穩(wěn)定。電感的標(biāo)稱值通常是在沒(méi)有外加直流偏置的條件下，以100 kHz 或1 MHz 所量得。且為確保大量自動(dòng)化生產(chǎn)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(cè) 電感220M 之電感－頻率特性圖，如圖所示，在5 MHz 之前電感值的曲線較為平坦，電感值幾乎可視為常數(shù)。在高頻段因寄生電容與電感所產(chǎn)生的諧振，電感值會(huì)上升，此諧振頻率稱為自我諧振頻率，通常需遠(yuǎn)高于工作頻率。

 

圖3：220M 電感-頻率特性之量測(cè)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(xiàn)。電感的阻抗約與頻率成正比（Z=2πfL），因此頻率愈高，電抗會(huì)比交流電阻大很多，所以阻抗表現(xiàn)就如同純電感（相位為90?）。而再往高頻，由于寄生電容效應(yīng)，可以看到阻抗的自我諧振頻率點(diǎn)，過(guò)了此點(diǎn)阻抗下降呈現(xiàn)電容性，且相位逐漸轉(zhuǎn)為-90 ?。

 

圖4：220M 之阻抗－頻率特性

 

3. 飽和電流

    

飽和電流ISAT 一般是標(biāo)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（如沖壓式電感），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(dāng)電感溫升為Tr?C 時(shí)的直流偏置。規(guī)格書同時(shí)標(biāo)注其在20?C 的直流電阻值RDC。依銅導(dǎo)線的溫度系數(shù)

約為3,930 ppm，在Tr 溫升時(shí)，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面散逸，可計(jì)算出電感的熱阻ΘTH：

 

 

5. 鐵芯損失

    

鐵芯損失，簡(jiǎn)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(dǎo)電」；若導(dǎo)電率高，即電阻率低，渦流損就高，如鐵氧體的電阻率高，其渦流損就相對(duì)的低。渦流損也與頻率有關(guān)，頻率愈高，渦流損愈大，因此鐵芯材料會(huì)決定鐵芯適當(dāng)?shù)墓ぷ黝l率。一般而言，鐵粉芯的工作頻率可到1MHz，而鐵氧體的工作頻率則可到10MHz。若工作頻率超過(guò)此頻率，則渦流損會(huì)快速增加，鐵芯溫度也會(huì)提高。然而，隨著鐵芯材料日新月異，更高工作頻率的鐵芯應(yīng)是指日可待。

 

另一個(gè)鐵損是磁滯損，其與磁滯曲線所圍之面積成正比，即與電流交流成份的擺動(dòng)（swing）幅度有關(guān)；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(gè)并聯(lián)于電感的電阻來(lái)表示鐵損。當(dāng)頻率等于SRF 時(shí)，電感抗和電容抗抵消，等效電抗為零，此時(shí)電感器之阻抗即等效于此鐵損電阻串聯(lián)繞線電阻，且鐵損電阻已遠(yuǎn)大于繞線電阻，所以在SRF 時(shí)的阻抗就約等于鐵損電阻。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(lái)估算，其鐵損約為1.25mW，這也說(shuō)明了鐵損電阻愈大愈好。