【導讀】本文是基于電感設計實(shí)際遇到的一些細節和科達嘉電子自身在相關(guān)細節上的理解以及對產(chǎn)品設計的管控來(lái)更好地處理可能出現的誤差或者問(wèn)題，從而持續優(yōu)化產(chǎn)品以求實(shí)現綜合不止是磁芯而是包含多方面因素的優(yōu)化電感產(chǎn)品設計。
上個(gè)篇幅已對最大磁通密度進(jìn)行了重點(diǎn)介紹，本次篇幅將主要對磁芯損耗和線(xiàn)圈設計這兩個(gè)影響因素進(jìn)行分析。
01 磁芯損耗
雖然對于電感損耗的研究持續了很多年(甚至比100年前的斯坦梅茨公式(Steinmetz formula)更早)并且從未中斷，但是至今依然是實(shí)際工程問(wèn)題中難以精確預測的問(wèn)題。
電感的損耗主要分為銅線(xiàn)的損耗(wire loss)和磁芯的損耗(core loss)，其中銅線(xiàn)的損耗在大多數應用中已經(jīng)可以比較精確地預測了，因為主要包含的因素：直流損耗、交流損耗(趨膚效應，臨近效應和渦流效應)在通常的應用中已經(jīng)可以比較好地預測；
但是，磁芯的損耗很難有詳細的參數支撐計算，因為磁芯的損耗主因里磁滯損耗(hysteresis loss)和渦流損耗(eddy current loss)都需要依據具體的磁通密度B，磁通密度擺幅ΔB，形狀結構和磁導率的直流偏置導致的損耗系數，頻率損耗系數，渦流損耗系數等來(lái)進(jìn)行計算，這些參數無(wú)法通過(guò)簡(jiǎn)單的測量快速得到，而是需要通過(guò)一系列的試驗測試來(lái)通過(guò)圖形擬合的方法推導出來(lái)這些參數(稱(chēng)為curve fitting)。
下圖大致分類(lèi)了電感的損耗（Fig.1）：
Fig.1 電感的損耗分類(lèi)（未填滿(mǎn)區域為輻射損失和雜散參數等其他損耗，占比一般很小而忽略不計）
測量方法
銅線(xiàn)的損耗此處不再贅述，這里主要來(lái)看一下磁芯損耗的測量。上個(gè)篇幅已經(jīng)提到為了測量磁通密度而使用B-H特性測試儀來(lái)搭建了測試平臺(如圖Fig.2)，實(shí)際上測量磁芯的損耗可以直接用本測試平臺來(lái)完成。
Fig.2 CODACA測試磁通密度的原理框圖
測量的原理是：在原邊通入正弦波AC勵磁信號V1(t)，儀器檢測并由軟件掃描記錄測得的副邊繞組感應電壓V2(t)，通過(guò)原邊的串接采樣電阻Rsense，測量原邊的實(shí)時(shí)電流i1(t)。如圖（Fig.2），在副邊繞組的感應電壓完全是由勵磁信號產(chǎn)生的磁通瞬變而產(chǎn)生：
于是，副邊繞組的所確立的（N1/N2 ）· i1(t) (原邊電流折算到副邊）與V2(t)形成磁芯的B-H特性曲線(xiàn)就是單純的勵磁磁場(chǎng)強度H與感應磁場(chǎng)強度B之間的實(shí)測曲線(xiàn)，單向(如B正軸方向+B)勵磁的系統能量以?xún)δ苄问酱鎯υ诖艌?chǎng)中(有損耗)；
反之，單向(如B負軸方向-B)退磁的系統能量以釋能形式釋放出磁場(chǎng)外（有損耗），在磁通密度B從+H的o處回到-H的o處，系統受到了功率輸入Pin也產(chǎn)生了功率輸出Pout：整個(gè)周期如前述是對稱(chēng)的，DUT磁芯在周期T=1/f內磁通擺幅動(dòng)態(tài)平衡，于是通過(guò)對整個(gè)周期內副邊繞組的功率流動(dòng)積分：
圖片就等同于DUT磁芯在磁化-退磁的過(guò)程產(chǎn)生的磁芯損耗(core loss)，其中主要包含的損耗成分為磁滯損耗，但是當測試頻率或者測試電壓提高時(shí)，渦流損耗的占比也會(huì )提升– 最終，無(wú)論是何種形式產(chǎn)生了損耗，科達嘉的測量方式主要遵循斯坦梅茨公式的計算方法，以實(shí)際工程參考價(jià)值為方向。
因此，此測試原理如下圖（Fig.3）所示：
Fig.3磁芯損耗的測試原理：系統功率輸入與功率輸出的差值部分大致相當于磁滯損耗(B-H曲線(xiàn)閉合區域內)
磁芯損耗的測試原理：系統功率輸入與功率輸出的差值部分大致相當于磁滯損耗(B-H曲線(xiàn)閉合區域內)。由此，最終以單位體積的磁芯損耗(Pcv)為計量的磁芯損耗測試結果表達式就是：
同樣，為了完成右側的積分運算，因為前述已經(jīng)提到電感兩端電壓和通過(guò)電流之間存在相位差，這個(gè)相位差是依賴(lài)整個(gè)系統測試回路的阻抗分配的很難固定關(guān)聯(lián)而減少積分號內變量的數量，因此更切實(shí)可靠的做法是靠測試儀掃描整個(gè)回路的數值然后交給軟件去做運算。這個(gè)功能同樣由CODACA研發(fā)中心的B-H特性測試儀來(lái)完成。
參數的準確性
斯坦梅茨公式的一般表達式為：
其中：K 是損耗線(xiàn)性關(guān)聯(lián)系數，靠實(shí)測數據通過(guò)curve fitting倒推出來(lái)；α，β分別是磁芯損耗對磁通擺幅Bm和開(kāi)關(guān)頻率f的指數關(guān)聯(lián)系數，同樣靠curve fitting推導。
觀(guān)察這個(gè)表達式會(huì )發(fā)現它和將磁芯損耗分為磁滯損耗和渦流損耗來(lái)區別對待不一樣，其實(shí)本質(zhì)上都是基于測試數據通過(guò)圖形擬合的方式得到的近似值，只不過(guò)這里將兩項系數又再次進(jìn)行了整合。
為了得到這些關(guān)鍵損耗系數，對于這個(gè)3元變量關(guān)系式，通常的做法是固定2個(gè)變量再去測試第3個(gè)變量的影響系數，從而分別得到這些參數。對于大多數相同材質(zhì)、相同形狀、相同繞線(xiàn)結構的磁芯而言，得出這些數據可以方便延伸到同系列其他感值的電感，通常具有較高的準確性。
除了測試的理論基礎，對于磁芯而言，通常提供的損耗參考曲線(xiàn)是一張Bm - f- Pcv3元的關(guān)系曲線(xiàn)，但是缺乏測試環(huán)境溫度的影響，為了滿(mǎn)足這樣的需求，CODACA在B-H特性測試儀的基礎上增加了恒溫測試治具，從而可以準確測試在特殊溫度環(huán)境下的磁芯損耗。
以下是CODACA自制的Sendust磁芯和FeSi磁芯的損耗曲線(xiàn)(如下圖Fig.3 )，科達嘉自制磁芯主要用于組裝自己的電感產(chǎn)品系列，目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出非常多低損耗材質(zhì)系列，為提高電源的轉換效率、降低系統熱耗散壓力提供了更多優(yōu)化的選擇。
Fig.3 CODACA自制Sendust和FeSi磁芯損耗測試結果
在線(xiàn)電感損耗計算工具
為了方便客戶(hù)能夠自助查詢(xún)在特定工作情況下CODACA電感產(chǎn)品的功率損耗，CODACA提供在線(xiàn)電感損耗計算工具：
codaca.com/PowerInductorLossComparison/ ,
或者直接訪(fǎng)問(wèn)CODACA公司主頁(yè)：www.codaca.com選擇“設計工具”-“功率電感損耗對比”即可使用。
使用這個(gè)工具非常簡(jiǎn)單，按照給定的工作條件選擇對應需要的CODACA電感料號，再點(diǎn)擊“搜索”即完成計算并返回：參數對照表(同時(shí)最多對比4項型號)，損耗對比，飽和電流曲線(xiàn)和溫升電流曲線(xiàn)，如下圖（Fig.4 ）所示：
Fig.4 CODACA在線(xiàn)電感損耗計算工具(示例)
02 線(xiàn)圈設計
在一般性的低壓功率轉換中，采用扁平銅線(xiàn)(flat wire)代替傳統的圓銅線(xiàn)(round wire)就是近些年比較大的一個(gè)工程進(jìn)步；在高壓功率應用上，安規絕緣要求對繞組使用的銅線(xiàn)材質(zhì)提出新的挑戰；在高頻率開(kāi)關(guān)電源上，如何在成本和性能之間取舍也是考驗設計能力的難題。
CODACA在大電流電感領(lǐng)域開(kāi)發(fā)了大量不同封裝尺寸和結構的產(chǎn)品(如下圖Fig.5)，具有非常大的產(chǎn)品線(xiàn)優(yōu)勢，這一切和扁線(xiàn)工藝的提升離不開(kāi)關(guān)系。
傳統的圓銅線(xiàn)在窗口利用率(window utilization)方面顯得捉襟見(jiàn)肘，同時(shí)因為AC響應的趨膚效應和渦流損耗的問(wèn)題，使得它在大電流應用上常常浪費很多繞線(xiàn)空間而無(wú)法實(shí)現更高的功率密度也即最優(yōu)化空間電流容納率。扁平銅線(xiàn)能夠比較好地解決這些問(wèn)題，但是扁平銅線(xiàn)的加工繞制過(guò)程中會(huì )遇到比如彎角的機械強度問(wèn)題、絕緣層的保證問(wèn)題以及加工繞制的機床磨具設計問(wèn)題等。
Fig.5 CODACA大電流產(chǎn)品 – CPEX4141L系列
在這樣的產(chǎn)品設計上，繞線(xiàn)的難度比磁芯的選擇更考驗制造商的工程技術(shù)能力。但這還不是全部：在以鐵氧體(Ferrite)為磁芯的電感產(chǎn)品系列上，因為材質(zhì)內部本身是經(jīng)過(guò)1300多度高溫燒結(sintering)而成，無(wú)法填充分布式氣隙，因此不能承受較高的峰值電流；為了使電感能夠獲得更高的飽和電流(Isat)，常常需要在加工組裝過(guò)程中人為制造氣隙，也即常說(shuō)的“磨氣隙”或者結構氣隙。
那么就會(huì )出現至少2個(gè)相當具有智慧挑戰性的工程問(wèn)題：氣隙開(kāi)在什么位置和開(kāi)出多少氣隙滿(mǎn)足飽和電流的要求，并且能夠做到最低的損耗。
很明顯，這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)不再是磁芯單獨的問(wèn)題，而是完全要從產(chǎn)品的總體性能來(lái)考慮的問(wèn)題。線(xiàn)圈繞組與氣隙的相對位置決定了耦合系數，這會(huì )使得氣隙的有效率產(chǎn)生變化；而另外一方面，因為氣隙內的磁通是自由穿透銅線(xiàn)繞組的，在渦流損耗方面又會(huì )產(chǎn)生明顯的差別，如何衡量，是需要累積相當多的工程設計經(jīng)驗的，限于篇幅，此處就不再一一拓展了。
03 綜述
誠如以上這些細節的觀(guān)察(這里只是羅列了一少部分的問(wèn)題)，電感的設計雖然對磁芯的要求始終放在重要的位置，但是在實(shí)際的工程問(wèn)題上，磁芯僅僅只是各種參考要素的一部分。為了設計實(shí)用的儲能型電感，也即實(shí)現足夠的飽和電流同時(shí)又能兼顧最低的損耗，往往更需要的是對磁芯更嚴謹的測試測量方法以及依據磁芯材質(zhì)而設計的線(xiàn)圈繞組結構。
來(lái)源：CODACA
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