开关电源学习笔记6 --- DC-DC变换器的储能电感设计之电感的绕线匝数与线径

1.最小匝数

根据 N × A e × Δ B = L × Δ I N × A_{e} × \Delta B = L × \Delta I N×Ae×ΔB=L×ΔI(笔记4的电磁学知识)

得: N = L × I L m a x A e × B m a x N = \frac{L × I_{Lmax}}{A_{e} × B_{max}} N=Ae×BmaxL×ILmax

其中 B m a x B_{max} Bmax一般取0.2T ~ 0.3T,定好L与 I L m a x I_{Lmax} ILmax,选好 A e A_{e} Ae后,即可算出最小匝数
匝数过大会导致线圈损耗(铜损)增加,不改变电路参数的时候可通过增大 A e A_{e} Ae使匝数减小


2.线径d

d = 2 I L r m s m × π × J d = 2 \sqrt {\frac{I_{Lrms}}{m × \pi × J}} d=2m×π×JILrms

  • J为电流密度,一般取4.5A/ m m 2 mm^2 mm2
  • m为绕线股数
  • I L r m s I_{Lrms} ILrms为电感电流的有效值
  • 工厂制作时,要保证d < 1.0mm;手工绕电感时,要保证d < 0.6mm

电流纹波比
这里引入一个在设计中经常用到的概念:电流纹波比
γ = Δ I I L \gamma = \frac{\Delta I}{I_L} γ=ILΔI

Buck, Boost, Buck-Boost变换器计算电感电流有效值

DCM模式:
I L r m s = I L m a x × T o n + T o f f 3 × T I_{Lrms} = I_{Lmax} × \sqrt {\frac{T_{on} + T_{off}}{3 × T}} ILrms=ILmax×3×TTon+Toff
CCM/BCM模式:
I L r m s = I L 1 + γ 2 12 I_{Lrms} = I_L\sqrt {1 + \frac{\gamma ^ 2}{12}} ILrms=IL1+12γ2


特别注意:趋肤效应

高频电流会引起磁场变化从而反过来影响电流自身
这就导致了导线的内测电流被削弱,削弱到一定程度时对应的深度(导线向内的深度)
称为趋肤深度 Δ \Delta Δ
Δ = 2 × ρ T 2 π × f × μ \Delta = \sqrt {\frac{2 × \rho _{T}}{2 \pi × f × \mu}} Δ=2π×f×μ2×ρT

  • f f f为高频电流频率
  • μ \mu μ为金属材料的磁导率,铜的磁导率为 μ = 4 π × 1 0 − 7 \mu = 4\pi × 10^{-7} μ=4π×107 H/m
  • ρ T \rho _{T} ρT是电阻的电导率,铜导线的 ρ T = 1.724 × 1 0 − 8 × ( 1 + T − 20 234.5 ) \rho _{T} = 1.724 × 10^{-8} × (1 + \frac{T - 20}{234.5}) ρT=1.724×108×(1+234.5T20) Ω · m(T为温度)
  • 所以铜导线的趋肤深度为 Δ = 6.6 × 1 + T − 20 234.5 f \Delta = \frac{6.6 × \sqrt{1 + \frac{T - 20}{234.5}}}{\sqrt f} Δ=f 6.6×1+234.5T20

实际使用中应使线径 d ⩽ 2 Δ d \leqslant 2\Delta d2Δ,超过该值时,增加的线径对电流大小的增益不大,会导致造成绕线空间浪费

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