設(shè)計有許多限制條件，各自都對是否成功量產(chǎn)有直接影響，本文是磁性元件設(shè)計教程的重要的一章，主要介紹是什么在限制著電感，高頻變壓器等磁性元件的設(shè)計。

原則一：電感不飽和（感值下降不超出合理范圍）

由磁滯回線圖可以看出， H 加大時， B 值也同時增加，但 H 加大到一定程度后， B 值的增加就變得越來越緩慢，直至 B 值不再變化 (u 值越來越小，直至為零 ) ，這時磁性材料便飽和了。通常電路中使用的電感都不希望電感飽和（特殊應(yīng)用除外，參看飽和電感及其在開關(guān)電源中的應(yīng)用一文），其工作曲線應(yīng)在飽和曲線以內(nèi)， Hdc 稱為直流磁場強(qiáng)度或直流工作點(diǎn)。

圖 1 磁芯在直流工作點(diǎn)下的磁滯回線

對于儲能濾波電感，由于需要承受一定的直流電流（低頻電流相對與高頻開關(guān)電流也可視為直流），也就是存在直流工作點(diǎn) Hdc 不為零。磁芯需加氣隙才能承受較大的直流磁通，如下圖，所以該類電感通常選用鐵粉芯做磁芯（有分散氣隙）。

圖 6.3 鐵粉芯的磁導(dǎo)率與直流磁場強(qiáng)度關(guān)系圖

由于磁芯加了分布?xì)庀叮滹柡瓦^程就不是一個突變而是一個漸變的過程，所以電感的不飽和問題就轉(zhuǎn)化為電感感值在直流量下的合理下降問題。

對于 PFC 、 BOOST 、 BUCK 以及 DC-DC 電感，電感的取值通常由設(shè)計要求大紋波電流（ Ripple Current ）來決定（通常設(shè)計指標(biāo)是大紋波電流百分比Rripple-percent ）。

其中，對于 BUCK 和 DC-DC 電感，其直流工作點(diǎn)（ IAVG ）相對恒定，如圖

圖 6.4 BUCK&DC-DC 電感的電流波形圖

R_{ripple-percent}=ΔImax/IavgΔImax是紋波電流峰峰值

這是在大直流工作點(diǎn)時，所需的電感小感值

電感初始感值與大直流工作點(diǎn)下感值的關(guān)系

Lmin=Linitial×udc％

其中udc％與Hdc(Hdc=NIAVG/l)直接相關(guān)，只要計算出Hdc，udc％可從磁芯廠商提供的圖表或計算公式得到。通常，無論如何設(shè)計，在大直流工作點(diǎn)處，udc％都不應(yīng)低于初始磁導(dǎo)率的 30 ％，否則將導(dǎo)致感值擺動太大而對控制器產(chǎn)生不利影響。

對于 PFC 、 BOOST 電感，其直流工作點(diǎn)是 50Hz/60Hz 的工頻信號，并不固定，如下圖。

圖 6.4 PFC&BOOST 電感的電流波形圖

此時，大紋波電流百分比Rripple-percent定義為大紋波電流與額定輸入電壓下的電感電流峰值之比。

注意， BOOST 拓?fù)涞拇蠹y波電流發(fā)生在輸入瞬時電壓為 BUS 電壓一半處，此時占空比為 0.5 。

注意，此處的直流工作點(diǎn)是輸入瞬時電壓為 BUS 電壓一半時對應(yīng)的輸入瞬時電流。

同時，在惡劣條件的大直流工作點(diǎn)下（低壓滿載輸入電流的峰值），udc％也都不應(yīng)低于初始磁導(dǎo)率的 30 ％。

對于 INV 電感，電感的取值通常看控制器能否可靠限流來決定。

由于 INV 電感需承受 RCD 等非線性沖擊負(fù)載，所以 UPS 通常有波峰因數(shù)比大于 3 ： 1 的要求，考慮實(shí)際逆變限流會稍大于 3:1 ，通常取到 4 ： 1 ，所以， INV 電感的大直流工作點(diǎn)可以設(shè)為 4:1 （ 4 倍于額定負(fù)載下的電感電流有效值）。當(dāng)然，若波峰因數(shù)規(guī)格要求改變，需要做相應(yīng)調(diào)整。

大直流工作點(diǎn)下，udc％不應(yīng)低于初始磁導(dǎo)率的 30 ％，否則很可能造成限流不可靠而損壞 INV 開關(guān)管。

感值確定后，選擇恰當(dāng)?shù)拇判荆橐?guī)格可得其 AL 值，用以下公式就可算出匝數(shù)。

原則二：電感損耗導(dǎo)致的溫升在允許的范圍內(nèi)（考慮使用壽命）

電感主要由磁芯、組成，所以其溫度要求也由這兩方面的限制構(gòu)成。

磁芯（ Core ）：

儲能電感的磁芯有鐵粉芯、鐵硅鋁粉芯、鐵氧體等構(gòu)成，目前使用多的是鐵粉芯。鐵粉芯存在高溫老化導(dǎo)致失效的問題，其失效機(jī)理可解釋如下：鐵粉芯是由鐵磁性粉粒與絕緣介質(zhì)混合壓制而成，絕緣介質(zhì)通常是高分子聚合物－樹脂類構(gòu)成，其在高溫下絕緣性能會慢慢劣化，鐵磁材料間的電阻會越來越小，從而磁芯的渦流損耗越來越大，大的損耗導(dǎo)致更高的溫升，這樣便形成了正反饋，這稱為熱跑脫效應(yīng)（ Thermal Run away ）。鐵粉芯磁芯的壽命便是由熱跑脫效應(yīng)決定的，其與溫度、工作頻率和磁通密度都有關(guān)系。目前公司使用較多的 MicroMetals 公司的鐵粉芯存在上述問題。但也需提醒的是，如絕緣介質(zhì)無高溫劣化問題，磁芯便不會有熱跑脫效應(yīng)，這與各公司的使用的材料和工藝有關(guān)，并不。

磁芯的溫升與磁芯損耗直接相關(guān)，如前所述，磁芯損耗主要由磁滯損耗和渦流損耗構(gòu)成，對于粉芯類磁芯，由于磁材料間絕緣阻抗很大，渦流損耗幾乎可以忽略不計（但熱跑脫效應(yīng)是由于渦流損耗越來越大引起）。磁滯損耗只與頻率和交流磁通密度ΔB(磁滯回線面積）有關(guān)，與其直流工作點(diǎn)磁通密度Bdc關(guān)系不大，以下公式是 MicroMetals 公司鐵粉芯磁芯損耗計算的經(jīng)驗(yàn)公式：

其中f為開關(guān)工作頻率， B （單位 Gauss ）為一個開關(guān)周期內(nèi)交流磁通密度的峰值，其為個開關(guān)周期內(nèi)交流磁通密度峰峰值的一半（ΔB=2B）。a,b,c,d為常數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)，常用材質(zhì)常數(shù)見下表。

對于 BUCK 和 DC-DC 電感，穩(wěn)態(tài)工作時，脈寬也基本穩(wěn)定，所以 B 值很容易確定。但對于 PFC 、 BOOST 和 INV 電感，其脈寬一直是變動的， B 值也一直是變動的，所以在一個工頻周期內(nèi)的瞬時損耗也是不定的，這時的損耗應(yīng)以一個工頻周期的平均值Pcore-loss-avg來衡量。

我們知道大電流紋波發(fā)生在輸入（或輸出）是輸出（或輸入）電壓一半的時候得到，其實(shí)此時也是瞬時交流磁通密度達(dá)到大的時候，稱之為Bpeak，所以此時的瞬時損耗也達(dá)到大。經(jīng)過理論計算與實(shí)踐檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)惡劣條件下Pcore-loss-peak 與Pcore-loss-avg 有如下關(guān)系：