【導讀】近年來(lái)，中國汽車(chē)電子市場(chǎng)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，帶動(dòng)了對磁性元件的需求。由于汽車(chē)運行環(huán)境的惡劣、振動(dòng)大、溫度高等特殊要求，對磁性元件產(chǎn)品品質(zhì)要求就顯得特別嚴格。
一、電感器的工作原理
電感是一種能將電能通過(guò)磁通量的形式儲存起來(lái)的被動(dòng)電子元件。通常為導線(xiàn)卷繞的樣子，當有電流通過(guò)時(shí)，會(huì )從電流流過(guò)方向的右邊產(chǎn)生磁場(chǎng)。
當交流電通過(guò)電感時(shí)，電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)將其他的繞線(xiàn)切隔，因而產(chǎn)生反向電壓，從而阻礙電流變化。反之當電流減少時(shí)，則向電流增加的方向產(chǎn)生。
若電流的方向逆轉，反向電壓也同樣會(huì )產(chǎn)生。在電流被反向電壓阻礙之前，電流的流向會(huì )發(fā)生逆轉，因而電流就無(wú)法流過(guò)。所以說(shuō)電感器是可以讓直流電通過(guò)，而通不過(guò)交流電的元器件。
二、電感器的分類(lèi)
電感器有很多種，市場(chǎng)上也出現了各種電感產(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(zhù)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備中。
2功率電感器的應用
功率電感器廣泛應用于通訊、醫療保健、工業(yè)、家電以及汽車(chē)電子等領(lǐng)域，特別是汽車(chē)電子中的汽車(chē)信息娛樂(lè )設備，動(dòng)力傳輸/安全設備等。近幾年來(lái)，新能源汽車(chē)不斷得到發(fā)展，包括混合動(dòng)力汽車(chē)（HEV）、增程式混合動(dòng)力汽車(chē)（PHEV）、純電動(dòng)汽車(chē)（EV）以及燃料電池車(chē)（FCV）等，在這些新能源汽車(chē)中，需要使用到不同電壓等級的電源系統。
DC/DC變換器成為新能源汽車(chē)設計開(kāi)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(guò)積累并釋放能量來(lái)保持連續的電流。
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(xiàn)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(diǎn)：
1）具有很高的磁飽和特性
當電流急劇增加時(shí)，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(shí)，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(shí)（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(shí)現小型化和薄型化。
3）可有效抑制人耳能聽(tīng)到的嘯叫噪聲
當大電流通過(guò)線(xiàn)圈時(shí)，對于鐵氧體構造的電感來(lái)說(shuō)，磁場(chǎng)集中在磁性材料的粘合部位，從而會(huì )產(chǎn)生磁伸縮現象，磁性線(xiàn)會(huì )發(fā)生微小振動(dòng)，產(chǎn)生keen sounders (核心響聲)的現象，從而引起嘯叫。
對于金屬合金構造的電感來(lái)說(shuō)，因為形成線(xiàn)圈的磁性材料是微粒的，所以磁場(chǎng)較分散；一體成型構造也能夠控制線(xiàn)材的振動(dòng)，從而很難產(chǎn)生嘯叫問(wèn)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構具有很高的機械強度，特別適合移動(dòng)設備和汽車(chē)電子的應用。金屬合金電感適用于汽車(chē)的嚴苛溫度刻環(huán)境的要求。
四、DC/DC變換器
電動(dòng)汽車(chē)中的電動(dòng)機的轉速范圍很寬，行駛過(guò)程中頻繁加速、減速，而且在電動(dòng)汽車(chē)運行過(guò)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動(dòng)電動(dòng)機運轉，會(huì )造成電動(dòng)機驅動(dòng)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載范圍內穩定在一個(gè)相對較高的電壓值，從而可明顯提高電動(dòng)機的驅動(dòng)性能。
另一方面，DC/DC變換器可以將電動(dòng)機制動(dòng)剎車(chē)時(shí)由機械能轉化而來(lái)的電能回饋給蓄電池組，其效率高達85%~95%，遠大于發(fā)電機的正常效率。以可控的方式給蓄電池組充電，尤其是在電動(dòng)汽車(chē)需要頻繁啟動(dòng)和制動(dòng)的城市工況運行條件下，可以有效地回收制動(dòng)能量，增加電動(dòng)汽車(chē)的行駛里程。因此，電動(dòng)汽車(chē)采用DC/DC變換器可以?xún)?yōu)化電動(dòng)機控制、提高電動(dòng)汽車(chē)的整體效率和性能。下圖為電動(dòng)汽車(chē)的系統架構圖。
作為電動(dòng)汽車(chē)的供電設備，DC/DC變換器也給車(chē)載電子設備供電。根據純電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載電子設備不同屬性，可把用電設備分為長(cháng)期用電設備、連續用電設備、短時(shí)間間歇用電設備和EV附加用電設備等四種類(lèi)型，如下圖所示。同時(shí)，DC/DC變換器的體積和種類(lèi)都很小且輸出穩定。
DC/DC變換器主要分為如下三類(lèi)：
1BOOST DC/DC
新能源汽車(chē)上使用的BOOST DC-DC變換器主要用于高壓系統的升級，將動(dòng)力電池系統的電壓等級再行升高， 以匹配更高等級的電機驅動(dòng)系統。BOOST DC/DC 變換器的系統結構圖下圖所示。
BOOST DC/DC 變換器有如下的特點(diǎn)：
1）需要能夠控制功率流的雙向流動(dòng)，以能確保動(dòng)力電池的充放電功能；
2） 功率大小需要匹配電機驅動(dòng)系統的功率需求，一般與電機驅動(dòng)系統集成設計， 共用其冷卻方式；
3）采用非隔離的設計拓撲方式，一 般 采 用 普 通 的BUCK-BOOST 拓撲方式， 設計較簡(jiǎn)單；
4）電路拓撲簡(jiǎn)單，但在整車(chē)設計開(kāi)發(fā)中需要配合動(dòng)力電池和電機驅動(dòng)系統一起來(lái)控制， 配合整車(chē)方面的控制較為復雜。
在汽車(chē)應用中，目前車(chē)燈廣泛采用LED光源，因此會(huì )用到Boost DC/DC和Buck DC/DC等轉換器。
2BUCK DC/DC
BUCK DC/DC變換器一般代替傳統汽車(chē)的交流發(fā)電機，提供低壓蓄電池及低壓電器設備的電源。由于是高壓系統轉換為低壓安全系統，這類(lèi)DC/DC變換器一般需要進(jìn)行隔離化設計，相比BOOST DC/DC變換器而言整體效率有所下降，但總的設計功率也小很多，一般為1.5kW到2.5kW左右，設計功率以匹配整車(chē)低壓電器負載為原則。
BUCK DC/DC變換器一般采用三種拓撲設計：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，控制及驅動(dòng)較為復雜，比較適應大功率輸出的設計，如國外的整車(chē)廠(chǎng)商一般采用此拓撲，功率等級都在2kW以上，通過(guò)復雜的控制，可以實(shí)現功率流的雙向變換。國內的整車(chē)廠(chǎng)商從成本和設計可靠性考慮，一般使用組合式的正激變換器拓撲，功率等級限制在2kW以?xún)?，只能?shí)現能量的單向流動(dòng)，設計上簡(jiǎn)單，功能上可靠。
在汽車(chē)應用中，BMC、VCU等方面會(huì )用到Buck DC/DC變換器，如將12V蓄電池電壓轉為5V電壓，來(lái)給相應電路供電。
3BOOST-BUCK DC/DC
由于車(chē)內的低壓電器設備較多，在不同的工況下的低壓功率需求差異很大，即使有+12V蓄電池穩壓的情況下，仍不能保證+12V的低壓電源是穩定可靠的，如在起動(dòng)機啟動(dòng)引擎時(shí)候，蓄電池瞬間可以跌落到6V，這樣使用低壓穩壓的DC/DC 變換器來(lái)進(jìn)行有效的穩壓變得必要。如一些高級配置常規車(chē)，配備低壓穩壓的DC/DC變換器，提供車(chē)載電腦的穩壓；新能源汽車(chē)中控制動(dòng)力分配、驅動(dòng)的核心單元，使用低壓穩壓的DC/DC變換器來(lái)穩壓，以提供整車(chē)系統的穩定可靠性。
對于DC/DC變換器，通過(guò)調查發(fā)現很多EMI問(wèn)題來(lái)自于電路中的電源部分，針對此問(wèn)題，可以有一些整改方案。從噪音模式的分類(lèi)來(lái)說(shuō)，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，具體選取需要結合噪音頻段來(lái)看。
五、DC/DC變換器主電路參數設計
以隔離式DC/DC變換器為例，首先要確定樣機主要參數要求，如輸入電壓（變化范圍）、輸出電壓、輸出電壓紋波、輸出電流、開(kāi)關(guān)頻率、效率等。
1主變壓器設計
髙頻功率變壓器是設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的設計都依賴(lài)于變壓器的參數，變壓器設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換的功率，根據AP選擇磁芯。AP法是求出磁心的幾何參數，再根據幾何參數選擇磁芯。本設計采用AP法。
1）選擇磁芯
每種材料的磁芯都有一個(gè)允許的最大磁通密度變化量△B，采用的磁芯材料△B越大，變壓器的繞組膽數越少，則變壓器繞組的通流能力越強。然而，過(guò)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(xiàn)可見(jiàn)，允許的最大磁通密度變化量△B應為飽和磁通的2倍。通常來(lái)說(shuō)，選擇△B時(shí)應留有一定的裕量，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，一般取0.4
Kf——波形系數，方波的波形系數為4
fs——工作頻率
Kj——溫度25℃時(shí)的電流密度系數
X——常數，由磁芯決定
2）變比N
變壓器的變比與變換器的傳輸功率、主電路拓撲結構以及占空比相關(guān)。越大，變壓器原邊的電流越小，原邊總的損耗越小，同時(shí)副邊整流管要承受的電壓應力也越小，變壓器的效率越高。同時(shí)，應能滿(mǎn)足在所有輸入電壓范圍內都能得所需要的輸出電壓，因此，在計算變壓器變比的時(shí)候應考慮在最小輸入電壓情況下輸出滿(mǎn)載且占空比最大進(jìn)行。
3）原邊繞組匝數Np
4）副邊繞組匝數Ns
5）繞組導線(xiàn)的選擇
在選擇高頻變壓器的繞組導線(xiàn)時(shí)必須考慮趨膚效應的影響。當有交流通過(guò)導體時(shí)，變化的電磁場(chǎng)會(huì )在導體旳內部形成禍流效應，與通過(guò)導體內部的電流相抵消。從導體表面往導體中心這種現象越來(lái)越明顯，因此，在有高頻電流通過(guò)導體時(shí)，通過(guò)導體的電流密度越往導體中心越小，導體的中心幾乎沒(méi)有電流通過(guò)，電流只在導體的邊緣部分流過(guò)。這種現象稱(chēng)為趨膚效應。常用的減小趨膚效應的影響的方法是采用多股導線(xiàn)并繞，其單股導線(xiàn)的線(xiàn)徑應小于穿透深度的2倍。
2輸出濾波電感設計
1）電感值的計算
輸出濾波電感值的計算首先要滿(mǎn)足輸出電流紋波△i0的要求，在滿(mǎn)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(dòng)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）濾波電感的設計
濾波電感的設計同樣采用法。當變換器的輸出滿(mǎn)載時(shí)，可得輸出濾波電感上的電流峰值為：
根據實(shí)際情況，選擇合適的電感器，計算出AP值，看是否滿(mǎn)足設計的功率要求。
3輸出濾波電容的計算
輸出濾波電容的選擇應考慮工作頻率、輸出電流紋波、輸出電壓紋波和能量?jì)Υ婺芰?。電解電容的等效串?lián)電阻（ESR）會(huì )隨開(kāi)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(shí)，先忽略等效串聯(lián)電阻，并取較大的裕量。
4開(kāi)關(guān)管的選擇
1）全橋開(kāi)關(guān)管的選擇
每個(gè)全橋開(kāi)關(guān)管承受的漏源電壓應力為輸入電壓，最大為360V，考慮1.5倍的安全裕量，全橋開(kāi)關(guān)管的耐壓值至少為540V。流過(guò)全橋開(kāi)關(guān)管的電流就是變壓器原邊的電流，可由負載電流折算至原邊得出。由下式可計算得到全橋開(kāi)關(guān)管的通態(tài)峰值電流：
2）同步整流管的選擇
同步整流管應承受的最大漏源電壓應力為360V/N，同時(shí)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、結語(yǔ)
近年來(lái)，隨著(zhù)移動(dòng)設備、家電、汽車(chē)、工業(yè)設備等全部設備中，組件的小型化、多機能化、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(zhù)DC/DC變換器IC的高速轉換，以及使用的電感器的低阻抗化的進(jìn)一步發(fā)展，也越來(lái)越要求小型/薄型化、低直流阻抗、對應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。
