电感变压器选型与应用

电感变压器选型与应用第一页，共52页。电路中的磁性器件如何选型？如何提参数？磁性元器件—电感器和变压器与其他电气元件不同，使用者很难采购到符合自己要求的电感和变压器。因为没有一个在规定范围内通用的规范化的参数，而表征磁性元件的大多数参数(电感量，电压，电流，处理能量，频率，匝比，漏感，损耗)对制造商是无所适从的。第二页，共52页。磁性器件设计思路

磁性元件的分析和设计比电路设计复杂得多，要得到唯一的答案是困难的。因为要涉及到许多因素，因此设计结果绝不是唯一合理的。考虑的不仅是最小体积，最低成本，或最高效率，还要包含结构、工艺、散热以及干扰等设计。高频开关电源的很多麻烦是由于磁性元件工艺、结构不合理引起的。第三页，共52页。电感器电感器是依据电磁感应原理，由导线绕制而成。在电路中具有通直流、阻交流的作用。在电路图中用符号L表示，主要参数是电感量，单位是亨利，用H表示。依据电磁感应原理，电感器派生出很多种器件。

Z=R+jXR=ωL0

μ’’X=ωL0μ’第四页，共52页。电感器种类1

小型固定电感器小型固定电感器通常是用漆包线在磁心上直接绕制而成，主要用在滤波、振荡、陷波、延迟等电路中，它有密封式和非密封式两种封装形式，两种形式又都有立式和卧式两种外形结构。1、卧式密封固定电感器卧式密封固定电感器采用轴向型引脚，有LG1、LGA、LPH等系列。LG1系列电感器的电感量范围为0.1~100000μH，额定电流分为50mA、150mA、300mA、700mA和1.6A五种规格。LGA系列电感器采用超小型结构，外形与1/2W色环电阻器相似，其电感量范围为0.22~1000μH，额定电流为0.04~1.4A。LPH系列电感器也为小型封装结构，其电感量范围为3.9~18000μH。误差范围为±5%~±20%。2、立式密封固定电感器立式密封固定电感器采用同向型引脚，有LG2P、LG2S、LPV等系列。电感量范围为0.1~100000μH，额定工作电流为0.05~2.0A，误差范围为±5%~±20%。2

可调电感器其外部为金属屏蔽罩，内部由尼龙衬架、工字形磁心、磁帽及引脚座等构成，在工字磁心上有用高强度漆包线绕制的绕组。磁帽装在屏蔽罩内的尼龙架上，可以上下旋转动，通过改变它与线圈的距离来改变线圈的电感量。3

阻流电感器阻流电感器是指在电路中用以阻塞交流电流通路的电感线圈，它分为高频阻流线圈和低频阻流线圈。1、高频阻流线圈：高频阻流线圈也称高频扼流线圈，它用来阻止高频交流电流通过。高频阻流线圈工作在高频电路中，多用采空心或铁氧体高频磁心，骨架用陶瓷材料或塑料制成，线圈采用蜂房式分段绕制或多层平绕分段绕制。2、低频阻流线圈：低频阻流线圈也称低频扼流圈，它应用于电流电路、音频电路或场输出等电路，其作用是阻止低频交流电流通过。第五页，共52页。电感器分类4按应用原理分类储能类

：包括起储能作用的储能电感器，谐振电感器；开关电源电感器(BUCK电感、BOOST电感等)。EMI滤波类

：包括差模电感器；共模电感器；

无源PFC电感器；

LC滤波电感器。起交流和直流滤波作用的滤波电感器;起抑制电磁干扰作用的电磁干扰滤波电感器，尖峰抑制电感器；起抑制噪声作用的噪声滤波电感器;起吸收浪涌电流作用的吸收电感器，起减缓电流变化速率的缓冲电感器;其他类

：起开关作用的磁性开关电感器；起帮助半导体开关换向作用的换向电感器；起调节电感作用的可控电感器和饱和电感器。

5按封装结构分类金属壳密封类

：金属密封壳装有单独制造的出头和引出端，此类别不包括用绝缘引线穿过金属壳的电感器。

灌封类

：包括模注灌封或包封结构，以及包括具有金属壳，一端或者两端敞开并用灌封材料填充的电感器，或者用用绝缘引线穿过金属壳的电感器。

开放类：开放类就是除金属壳类、灌封类以外的电感器，包括端封式结构的电感器。第六页，共52页。电感器的损耗与漏磁第七页，共52页。

1、电感量反应电感储存磁场能的本领，它的大小与电感线圈的匝数、几何尺寸、有无磁心（铁心）、磁心的导磁率有关。在同等条件下，匝数多电感量大，线圈直径大电感量大，有磁心比没磁心电感量大。用于高频电路的电感量相对较小，用于低频电路的电感量相对较大。电感量的单位为亨（H）。

电感器的主要参数Iuφ电路部分磁路部分L=Ψ/I=NAeB/I=N2AeB/Hle=μ0

μeN2Ae/le第八页，共52页。2、标称电流值

电感器长期工作不损坏所允许通过的最大电流。它是高频、低频扼流线圈和大功率谐振线圈的重要参数。常以字母A、B、C、D、E来分别表示标称电流值50mA、150mA、300mA、700mA、1600mA。应用时实际通过电感器的电流不宜超过标称电流值。第九页，共52页。3、品质因数（Q值）：电感线圈中储存能量与消耗能量的比值称为品质因数。又称Q值。或是线圈所呈现的感抗与线圈直流电阻的比值，Q=wL/R。电感器的Q值一般为50-300，Q值与线圈的结构（导线粗细、多股或单股、绕法、磁心）有关，Q值越高，电路的损耗越小。在调谐回路中，要求Q较高，以减小与线圈回路的损耗；在滤波回路中，Q值不宜过高，以免使其与滤波电容构成谐振回路，对电路产生影响，对于高频扼流圈和低频扼流圈不做要求。第十页，共52页。4

精度等级允许偏差是指电感器上标称的电感量与实际电感的允许误差值。一般用于振荡或滤波等电路中的电感器要求精度较高，允许偏差为±0.5%；而用于耦合、高频阻流等线圈的精度要求不高，允许偏差为±10%~20%。第十一页，共52页。5、分布电容：指线圈匝与匝之间形成的分布电容，它降低了线圈的品质因数Q，也使线圈的工作频率受到限制。高频线圈采用减小线圈骨架直径，采用细导线绕制、蜂房式或分段式绕法就是为了减少分布电容。6、自谐频率：电感在其SRF时,电感的分布电容与电感值产生共振,此时电感值与电容值相等而互相抵销。电感的Q值在共振频率时,Q=0,XL=0,故此时电感出现具高阻抗值。电感超过此频率则失效成电容性产品,故一般讯号用电感会订SRFmin我们知道谐振频率f=1/（2π√LC），该式里有2个参数决定f，就是L和C。由式可知，LC越小，频率越高。在电容一定的情况下，可以考虑减小电感，提高自谐振频率；如果电感一定，就要考虑怎么减小分布电容，而电容的公式是C=ε·S/4πkd，这里有三个变量，ε，S和d，介电常数ε也就是电感里面的填充材料，看是否有可选材料减小介电常数，另一个是S，就是减小接触面积，也就是电感里面的每一圈绕线的接触面积减小，第三个是d，可以考虑每一圈线疏绕。或者用高u的磁芯，减少绕线圈数等。

第十二页，共52页。气隙对磁特性的影响第十三页，共52页。磁棒的有效磁导率第十四页，共52页。磁性材料的磁能储能特性最大值E储能=1/2LI2=1/2μ

H23C94第十五页，共52页。应力对磁性能的影响第十六页，共52页。变压器变压器也是一种电感器。它是将两组及以上的线圈绕在同一个线圈骨架上，或绕在同一铁心上制成的。是利用两个电感线圈的互感应现象来传递交流电信号和电能的。第十七页，共52页。变压器的种类、特性1变压器按工作频率可分为高频变压器、中频变压器和低频变压器。2变压器按其用途可分为电源变压器、音频变压器、中频变压器、高频变压器、脉冲变压器、恒压变压器、耦合变压器、自耦变压器、隔离变压器等多种。3变压器按铁心（磁心）形状可分为“E”型变压器、“C”型变压器和环型变压器。第十八页，共52页。变压器的损耗与漏磁第十九页，共52页。磁性材料的磁能传递特性P传输磁能=（fB）NAeI第二十页，共52页。漏感对性能的影响漏感公式：Ls=μ0N2dg/hN为初级匝数，h绕线宽度，d为两线圈间隙高度，g两线圈间的平均周长C=2πr。

1、减少初级匝数可以降低漏感。N减小Ls减小。

2、增加绕线宽度，h增大Ls减小。

3、减小绝缘厚度，d减小Ls减小。

4、减小绕组层数，g减小Ls减小。

5、不满层的绕组选择疏绕满层，h增大Ls减小。

6、绕组绕紧且分布均匀，减小g来减小Ls。

7、减小气息，降低漏感。8、增加耦合减小漏感，用三明治绕法。μ第二十一页，共52页。

1、额定功率指在规定频率和电压下，变压器长期工作而不超过规定的温升的最大输出功率，额定功率中会有部分无功功率，故单位为VA。一般在数百伏安以下。

2、变压比n

是指变压器一、二次绕组电压比。如果忽略了铁心、线圈的损耗此值近似等于一、二次绕组的匝数比，这个参数表明了该变压器是升压变压器还是降压变压器。

n=U1/U2=N1/N23、电流与电压的关系若不考虑变压器的损耗，则U1.I1=U2.I2或U1/U2=I2/I1

4、阻抗变换关系初级输入阻抗Z1与次级负载阻抗Z2的关系可由欧姆定律导出。

U1/Z1=I1U2/Z2=I2代入上式得到Z1/Z2=(U1/U2)2=n2Z1=n2Z2所以变压器有变换阻抗的作用。

变压器的参数第二十二页，共52页。5、效率η：

在额定负载时，变压器输出功率占输入功率的百分数。η＝(Po/Pi)×100%

它与设计参数、材料、制造工艺及功率有关。通常20VA以下效率为70%-80%，而100VA以上效率可达95%以上。一般电源、音频变压器考虑效率，中频、高频变压器不考虑效率。

6、绝缘电阻和耐压强度是变压器安全工作的重要参数绝缘电阻：变压器线圈之间、线圈与铁芯之间以及引线之间的电阻。抗电强度：在规定时间内（如１分钟）变压器可承受的电压。小型电源变压器绝缘电阻不小于500M,抗电强度大于2000V。

变压器的特性第二十三页，共52页。特点：1.产品呈平板状、体积小、厚度小，符合电源的模块化发展趋势;

3.工作频率高，功率密度大。平板变压器能设计为高频变压器,提供一种既经济又好的变压器模块。它可工作在100kHz~2000kHz之间。因为平板变压器元件的尺寸很小，它具有极好的温度耗散特性，所以能和有关的半导体器件和电感紧密地封装在一起，实现高功率密度。4.工作效率高，可达98%~99%。调节漏电感，使它能具有很快的开关时间，很低的交叉损耗，就能使它达到很高的效率。这种变压器副边绕组和原边绕组之间的匝间传导损耗是很小的。5.极好的热耗散特性。平板变压器是具有高表面积体积比、很短的热通道的小元件，有利于散热。原边和副边绕组之间的匝间损耗很小，这种磁心特有的几何外形，能有效地减小磁心损耗，所以它能做到高磁通密度，.它可在-55~130℃之间工作。6.电磁辐射干扰小。:绕组和绕组之间的良好耦合，就能使绕组匝间的漏电感保持在最小值，输出端到辅助部件的连线很短，而且是紧装配，所以绕组相互之间连线上的漏电感也是最小的，,因此电磁辐射干扰小。7.可靠性高。8.绝缘强度高。

平面变压器

第二十四页，共52页。种类：第一种是平板铁氧体磁心，传统绕线型绕组结构，主要一些高频、高压小功率变压器，与传统变压器比优势不大。第二种是平板铁氧体磁心，铜箔式绕组结构，主要应用在需要输出低压大电流的高频、大功率开关电源模块中。第三种是平板铁氧体磁心，PCB印制板绕组，主要是一些高频、中小功率的变压器。第四种是采用LTCC(瓷低温共烧)工艺，在铁氧体薄片上印刷绕组，形成绕组阵列，多层黏结叠加，共烧成一体，主要是在高频小信号线路中信号宽带传输、隔离等作用。

平面变压器种类

第二十五页，共52页。环形磁芯环形磁芯对制造商来说是最经济的；由于使用骨架，附加的费用和组装费用基本为零；需要时它可以使用机器进行绕制；它所带来的屏蔽效果也很不错。

E型磁芯

平面E型磁芯通过增大外表面面积大大扩展了磁芯的体积，降低了高度。其散热非常好，也可以几付磁芯叠加应用于更大功率的场合；这种磁芯形状现在应用最广。但漏感较大。EP型磁芯EP型磁芯的圆形中心柱的立体形结构，除了与PCB板接触的末端外，磁芯完全把绕组包裹了起来，屏蔽效果非常好；这种独特的形状结构提供了一个体积和空间利用率的最好比例。罐形磁芯骨架和绕组几乎全部被磁芯包裹起来，所以它的EMI

指标特别好；可提供简易型骨架（无插针）和PCB板安装骨架（有插针）；它的形状不利于散热，因此不适宜应用于大功率的场合。

RM型磁芯这种设计更有利于散热和大尺寸的引线引出；它比罐形磁芯节约了40%的安装空间；骨架有无针形和插针形两种；屏蔽效果比罐形磁芯稍差。

EC、ETD、EER磁芯这些类型的磁芯结构介于E型和罐型磁芯之间。适合现在开关电源输出低压大电流趋势；这些形状的磁芯散热也非常好；由于中心柱为圆柱形，单匝绕组长度缩短了11%左右，就使变压器的铜损也降低了11%，同时使磁芯能提供更高的输出功率有了基础。

PQ型磁芯PQ型磁芯是专门为开关电源用电感器和变压器设计的。是追求使用最小的磁芯来提供最大的电感量和最大化的绕制面积，因此这种磁芯结构比起其它的磁芯结构具有更少的工作热点。PJ型磁芯PJ型磁芯壁厚一致使磁材料能够得到充分利用；给PCB板留下了更多的空间，让PCB线圈显得更加合理；中心柱的穿孔既节约了磁材，又给平面变压器热量最高的中心柱处开辟了散热通道。磁心选择第二十六页，共52页。铜线选择趋肤效应:当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，且电流集中在导体的“皮肤”部分的一种现象。导线内部实际上电流变小，电流集中在导线外表的薄层。结果导线的电阻增加，使它的损耗功率也增加。集肤深度:分别对应室温20

℃和温度100

℃，有δ

=

6.6

/

√

f

和

δ=

7.65/

√

f

两个公式，结果为cm

。根据集肤深度选择铜导线的直径或厚度。铜导体的集肤深度：（20℃）频率f50Hz500Hz1KHz10kHz50KHz100KHz500kHz1MHz10MHz集肤深度δ9.35mm2.95mm2.09mm0.66mm0.3mm0.21mm93µm66µm21µm在高频电路中存在集肤效应的影响，频率越高集肤效应越严重，如1MHz集肤效应在60μm厚层面，500MHz集肤效应在3.0μm厚层面，1GHz集肤效应在2.1μm厚层面，10GHz集肤效应在0.7μm厚层面。信号沿着导线表面(包括四侧面)流动，希望导线表面平滑，因粗糙表面会延迟信号传输时间。现在印制板用铜箔粗化面是2μm～3μm，凹凸轮廓还显大，要求更低轮廓铜箔以满足高频电流的传输。第二十七页，共52页。平面变压器特点五种拓扑结构的变压器：第二十八页，共52页。1.反激变压器特点：电路简单，效率高；输出电压波纹较大；处理功率在150w以下；最大占空比0.45；应用于电压和负载调整率不高的场合（6-10%）；小功率多组输出特别有效；和其他拓扑结构不同；磁心必须加气隙防饱和。2.正激变压器特点：电路比较简单，铜耗比较低；输出电压电路纹波较小；变压器磁心单边磁化；开关管峰值电流较低；变压器不必加气隙，但为了减小Br，有时加很小气隙。最大占空比0.45；处理功率300w以下。3.推挽变压器特点：磁心利用率高；存在磁心偏磁；器件承受电压高，是两倍的电源电压；最大占空比0.9；处理功率500w。4.半桥变压器特点：变压器原边一个线圈，但双边磁化，变压器利用率高；变压器原边工作电压为输入电源电压的一半；分压电容C1和C2能自动消除变压器的直流偏磁；原边存在电压短路的可能性。最大占空比0.9；处理功率达到1000w。5.全桥变压器特点：变压器原边一个线圈，但双边磁化，变压器利用率高；变压器原边工作电压为输入电源电压的；存在直流偏磁；原边存在电压短路的可能性。最大占空比0.9；处理功率大于1000w。第二十九页，共52页。铁磁材料内部往往有相邻的几百个分子电流圈流向一致，在退磁场和各向异性场作用下，在这些极小的区域内就形成了一个个天然的磁性区域—磁畴。磁性来源铁磁材料内部的磁畴排列杂乱无章，磁性相互抵消，因此对外不显示磁性。铁磁材料之所以具有高导磁性，是因为在它们的内部具有一种特殊的物质结构—磁畴。磁畴因受外磁场作用而顺着外磁场的方向发生归顺性重新排列，在内部形成一个很强的附加磁场。（a）无外磁场情况（b）有外磁场情况亚铁磁性第三十页，共52页。磁滞回线中H为零时B并不为零的现象说明铁磁材料具有剩磁性。BH0cba起始磁化曲线oa段是线性段ab段是上升段bc段是磁化曲线的膝部C点以后是饱和段起始磁化曲线的ab段反映了铁磁材料的高导磁性；c点以后说明铁磁材料具有磁饱和性。磁滞回线中B的变化总是落后于H的变化说明铁磁材料具有磁滞性；软磁材料反复磁化一周所构成的曲线称为磁滞回线。磁化曲线第三十一页，共52页。BHBHBHBH(A)无外磁场时(B)起始阶段：可逆位移或旋转(C)陡峻阶段：不可逆位移(D)饱和阶段：可逆旋转磁化机理第三十二页，共52页。磁化曲线测量Iuφ电路部分磁路部分H=NI/LeLe有效磁路长度B＝μHμ导磁率Φ=BAe直流偏磁、反激变换器、脉冲变压器第三十三页，共52页。磁性参数与测量1起始磁导率μi

μi是材料在弱场磁化过程中的一个宏观特性表示量。是磁性材料的磁导率（B/H）在磁化曲线始端的极限值，μi=

1μ0limH→0BHμi=L/(4.6N2hlg(D/d))×107(适用于环形磁芯)作功率变换的开关电源变压器磁芯是工作在高磁通密度下,因此必须引入振幅磁导率参数才能真实反映出功率型磁芯在高磁通密度下的磁特性;μα=1/μ0*B/H

(式中规定的B值比测时高出数百倍以上,例如:200mT)2振幅导磁率μα第三十四页，共52页。磁性参数3截止频率fr

由于软磁材料畴壁共振和自然共振的影响，随着频率提高，使软磁材料的μ值下降为起始值的一半且μ″值达到峰值时的频率，称为截止频率。f镍锌铁氧体磁导率的频谱特性第三十五页，共52页。复数磁导率的应用宽带变压器、传输线变压器第三十六页，共52页。

居里温度是磁性材料从铁磁性到顺磁性的转变温度，在这个温度磁性材料的磁性将变得很小或消失，它的表示方式有很多，我们一般按下图进行测量，即随着温度升高，磁导率下降到最大值的80%及20%时，两点的联线，延长到与温度轴的交点即为居里温度。4居里温度Tc磁性参数第三十七页，共52页。磁性参数与测量5损耗因子tanδtanδ=Rs/ωLs表示小信号下材料的损耗特性,由于磁芯损耗引起信号相移;Rs：磁芯及线圈损耗的等效电阻；Ls：装有磁芯的线圈的自感量；6品质因素QQ=1/tanδ磁性器件作滤波器的电感时，通常用品质因素Q来表示它的质量；Q与频率和绕组参数有关第三十八页，共52页。7功率损耗Pc(大信号下)Pc=Ph+Pe+Pr(Ph、Pe、Pr表示磁滞、涡流、剩余损耗)

第三十九页，共52页。通过一个闭合回路的磁通量发生变化时，回路中就有感应电流产生——该现象称为电磁感应现象。产生的电流称为感应电流，相应的电动势为感应电动势。N电磁感应现象第四十页，共52页。自感与互感

自感：当线圈中电流变化时，它所激发的磁场通过线圈自身的磁通量也在变化，使线圈自身产生感应电动势，叫自感现象.该电动势叫自感电动势.2互感：当线圈1中的电流变化时,所激发的磁场会在它邻近的另一个线圈2中产生感应电动势;这种现象称为互感现象。该电动势叫互感电动势。互感电动势与线圈电流变化快慢有关；与两个线圈结构以及它们之间的相对位置和磁介质的分布有关。第四十一页，共52页。磁路基本定律安培环路定律法拉第定律磁通连续性定理麦克斯韦电磁场方程微分形式积分形式磁路基本定律对各个磁回路i1N1+i2N2=Hclc+Hala对各个绕组对磁路各个节点Ф=Ф1+Ф2第四十二页，共52页。应用：磁性材料分类

第四十三页，共52页。软磁材料的主要应用方向第四十四页，共52页。第四十五页，共52页。常见软磁材料性能比较

类别名称材料主要成分导磁率Bs(mT)居里温度(℃)工作温度(℃)使用频率f(kHz)金属磁性材料硅钢片Si-Fe300~10铁镍合金Ni-Fe~100000750500~150~30非晶态合金Fe(Co,Ni)~1000001500250/400~150~500超微晶Fe~800001500570~150~100磁粉心铁粉心100Fe3~100~1400750~150~500铁硅铝粉心6Al,9Si,85Fe26~125~1050600~200~1000高磁通粉心50Ni,50Fe14~160~1400500~200~1000钼坡莫合金2Mo,8