功率类电感器:金属复合材料类型的优异特性

2018-08-21

LC滤波器

技术信息

功率类电感器:金属复合材料类型的优异特性

下载本文   この記事をダウンロード,这篇文章资料下载,Download this article

所谓电感器

电感器是与电阻器(R)和电容器(C)相匹敌的重要的无源零部件。电感器的符号中使用“L”。据说,此“L”是来源于关于电磁感应的“楞次定律”的楞次(Lenz)(有多种说法)。基本构造为将导线缠绕成线圈状,能够将电能转换成磁能,蓄积在电感器内部。被蓄积的磁能量由电感来决定,单位为亨利(H)。

电感器的基本特性

电感器具有以下基本特性。

  1. 如果电流流过,就会产生磁场;反之,如果磁场发生变化,电流就会流过。
  2. 将电能转变为磁能并蓄积起来。
  3. 直流会流过,但交流不易流过,频率越高越不易流过。

①与②是相互关联的特性。如果让电流流向电感器,就会产生磁场,该磁场的磁通量在电流停止后依然会储存于电感当中。这是因为电感器磁化之故。也即是说,电感器能够将电能作为磁能蓄积起来。

③的特性,在施加直流的情况下,电流只是作为导线而流过,但在施加交流的情况下,频率越高电流越不易流过。这起因于电感器的阻抗。

电感器的阻抗(Z)可通过下式来表示。
Z = R + j (2πf L)
此外,阻抗的绝对值可通过下式来计算。
|Z| =√R2+(2πf L)2
Z
阻抗 [Ω]
R
直流电阻成分 [Ω]
j
虚数
π
圆周率 (3.14)
f
频率 [Hz]
L
电感 [H]

从此式可以获知,频率f越是升高,阻抗越会增大,电流会变得不易流过。此外,即使电感L增大,电流也一样不易流过。

电感器的基本构造与电感

最基本的电感器是将导线缠绕成线圈状的电感器,导线的两端为外部端子。近年来,将导线缠绕到高磁导率的磁芯上制成的电容器占据了一大半市场。

インダクタの基本構造とインダクタンス graph

电感器的电感可通过下式来求得。

L =

kμSN2

l

L
电感 [H]
k
长冈系数
μ
磁心的透磁率 [H/m]
N
线圈的匝数
S
线圈的截面积 [㎡]
l
线圈的长度 [m]

インダクタンス

从此式可以获知,电感通过1)增大截面积S;2)增加匝数N;3)放入磁心增加透磁率而会增大。

电感器的主要作用

实际上电感器具有什么样的作用呢?这里根据前面所示出的电感器的基本特性①、②、③列出具体示例。

① 如果电流流过,就会产生磁场;反之,如果磁场发生变化,电流就会流过⇒变压器的原理

一次侧和二次侧具有两个绕组的构造例中,可以认为与变压器一样。如果让电流流向一次侧绕组,就会产生磁场,在该磁场的作用下,二次侧绕组会产生电流。可通过一次侧绕组和二次侧绕组的匝数比来转换成任意的电压。

トランスの原理 image

② 将电能转换为磁能并蓄积起来⇒扼流圈的原理

这里列出的是DC/DC转换器的电感器示例。如果将开关置于ON而让电流流向电感器,就会产生磁场,电感器上就会以磁能这种形式将能量蓄积起来。
如果将开关置于OFF而停止流向电感器的电流,之前被蓄积起来的磁能就会释放(磁场发生变化),电流就会流过。

チョークコイルの原理 image

③  直流会流过,但交流不易流过,频率越高越不易流过⇒滤波器的作用

可利用电感随频率变化而导致交流电通过的难易程度也发生变化的性质,与电容器组合来构成低通滤波器和高通滤波器等。

フィルタ作用 image

电感器的主要技术规格

这里列出表示电感器性能的主要技术规格。规定条件会随厂家和商品而有所差异,因而必须仔细确认数据表的附注等内容。

规格示例(松下车载用功率电感器)
技术规格项目 规定条件
电感(L値)[μH] 基于测量频率(100kHz)
直流电阻(DCR)[Ω] 构成电感器的导体(铜线)的电阻成分
额定电流:温度上升(ΔT)[A] 施加直流电流时温度上升至40K的电流额定值
额定电流:直流叠加(ΔL)[A] 施加直流电流时(直流叠加)L值从初期值下降30%的额定电流

电感器的种类

电感器有各种不同的种类。此外,分类的方法也会随不同的观点而有多种。下图所示为将用途作为信号类和功率类,各自按照磁性体(磁心)材料和工艺而进行的分类。
其中,功率类电感器为针对近年来市场对电源的大容量化、效率提高、小型化要求的主要产品之一。功率类电感器的磁性体(磁心)材料中最常见的是铁素体,而作为针对近年来功率类应用课题的解决方案,磁心使用金属磁性体的金属复合材料类型的功率电感器引起人们的关注。

インダクタの種類 map

所谓金属复合材料电感器

金属复合材料(以下MC)类型目前已被面向功率类应用展开,用于电源电路的DC/DC转换和输入滤波器。

下图所示为功率类的MC类型与铁素体类型、以及信号类/高频类电感器的电感与容许电流(Idc)的覆盖范围。

可以获知,MC类型相比铁素体类型,能够处理更大的电流。

电感 vs 容许电流>
电感 vs 容许电流 inductance vs allowable current graph

金属复合材料类型的特点

松下电器的MC类型的功率电感器,采用与特定的金属磁性材料一体成型的构造,相比铁素体类型可实现小型化和大电流化,同时实现对应车载的高可靠性。

如下面的比较表所示,其特点在于,与铁素体类型相比,作为电感器重要特性的磁饱和特性、热稳定性、耐热性、耐振性、ACR(交流电阻)、振动峰鸣声量都表现得更优异。

フェライト品 MC品

磁饱和特性和热稳定性

这里对于MC类型与铁素体类型的磁饱和特性(=直流叠加特性),分别按25°C、100°C、125°C、150°C的条件予以区分绘制而成的一个数据示例。磁饱和特性,是在向电感器施加直流的情况下,在某一电流值下会发生磁饱和而导致电感急剧下降的特性,是在前面叙述的“主要技术规格”中也已列出的重要特性之一。

一般来说,铁素体类型具有显著的饱和特性已广为人知,如图表所示,如果增大DC偏压,电感就会急剧下降,而且饱和特性还会随着温度而变动。相比之下,松下电器的MC类型不会发生看似饱和的急剧的电感下降,相对于温度几乎没有变动。周围温度的变动自不待言,这在伴随发热的功率类电感器上是极为重要的一点。

フェライトタイプvsMC glaph

耐热性、耐振性

松下电器的MC类型电感器具备针对车载应用的高可靠性,并已进行了严格的可靠性试验。热冲击:-40°C⇔150°C/2000周期、及耐热150°C/2000小时的可靠性已得到保证。以下列出标准的车载用试验项目及条件。

可靠性试验例(车载标准)
试验项目 条件 试验次数/时间 判定基准
热冲击试验 -40(10分)/+150℃(10分) 2000周期
  • L值在初期值的±10%以内
  • DCR在初期值的±5%以内
  • 绝缘电阻在10kΩ以上
  • 外观、构造应无异常
  • 应无断线、机械性损伤
振动试验 10G(5Hz ~ 2kHz) XYZ(各4小时)
30G(5Hz ~ 2kHz)
高温寿命试验 150℃、DC额定A 2000時間
温中寿命试验 85℃/85℅RH、额定电流 2000時間
耐寒试验 -40℃ 2000小时

※预处理条件:85±2°C、85%RH、168h后,回流老化3次

交流电阻(ACR)

如果提高流向导线的电流频率,电流会因趋肤效应和邻近效应而集中在导线的表面部分,中心部分成为低密度,表面部分成为高密度。由此,电阻成分在高频下增大,我们将电感器上此增加的电阻成分叫做交流电阻(ACR)。
下面的图表为MC类型与铁素体类型的交流电阻(ACR)比较。如果频率上升,ACR增加,则交流损耗会增加,且发热增大。如图表所示,MC类型的ACR的增加比铁素体类型小,因此可以获知,即使在高频下损耗=发热也不大。

Mc vs フェライト ACR

振动峰鸣声量

电感器根据条件和构造,有的情况下会发出机械性振动峰鸣声。为了缓解磁心急剧的饱和,铁素体磁心在多半情况下构造上设置有气隙,此气隙是导致振动峰鸣声的一大要因。松下电器的MC类型由于采用一体成型构造,因而不存在气隙(参见“金属复合材料类型的特点”的构造图),振动峰鸣声减小。与铁素体类型相比,振动峰鸣声大约是20dB=1/10。

可聴帯域駆動時のBUZZ NOISE比較

金属复合材料类型的应用与未来展望

如前所述,MC类型具有优异的特性和高可靠性,因而已被广泛采用于车载应用。基本上已被使用于各种ECU的电源电路的DC/DC转换部和输入滤波器。

今后,松下电器将扩充MC类型的种类,预定向其他的车载应用展开。

MCタイプパワーインダクタのアプリケーション例

MC类型功率电感器的应用例

相关产品信息

LC滤波器模拟器

工业和汽车用LC滤波器模拟器是指,以适用于工业和汽车的本公司的功率电感器和铝电解电容器构成滤波器时的衰减量特性为能够模拟的装置。
请在选定工业和汽车用滤波器的零部件时加以活用。

LC滤波器模拟器  »

LCフィルタシミュレーター image

LC滤波器 技术资料下载 img

免费的 资料下载

LC滤波器
这是本公司网站里「电路设计的最优解」的技术信息中,关于LC滤波器的相关内容整理后的资料。

请点击进入下载页面 »