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談談電感鐵芯材料對電感參數的影響

發布時間：2019-01-22 責任編輯：lina

【導讀】電感器是(shi)一(yi)種(zhong)電(dian)磁(ci)感(gan)應(ying)組(zu)件(jian)，用(yong)絕(jue)緣(yuan)的(de)導(dao)線(xian)在(zai)繞(rao)線(xian)支(zhi)架(jia)或(huo)鐵(tie)芯(xin)上(shang)繞(rao)製(zhi)一(yi)定(ding)匝(za)數(shu)的(de)線(xian)圈(quan)而(er)成(cheng)，此(ci)線(xian)圈(quan)稱(cheng)為(wei)電(dian)感(gan)線(xian)圈(quan)或(huo)電(dian)感(gan)器(qi)。根(gen)據(ju)電(dian)磁(ci)感(gan)應(ying)原(yuan)理(li)，當(dang)線(xian)圈(quan)與(yu)磁(ci)場(chang)有(you)相(xiang)對(dui)運(yun)動(dong)，或(huo)是(shi)線(xian)圈(quan)通(tong)過(guo)交(jiao)流(liu)電(dian)流(liu)產(chan)生(sheng)交(jiao)變(bian)磁(ci)場(chang)時(shi)，會(hui)產(chan)生(sheng)感(gan)應(ying)電(dian)壓(ya)來(lai)抵(di)抗(kang)原(yuan)磁(ci)場(chang)變(bian)化(hua)，而(er)此(ci)抑(yi)製(zhi)電(dian)流(liu)變(bian)化(hua)的(de)特(te)性(xing)就(jiu)稱(cheng)為(wei)電(dian)感(gan)。

一、前言

dianganqishiyizhongdianciganyingzujian，yongjueyuandedaoxianzairaoxianzhijiahuotiexinshangraozhiyidingzashudexianquanercheng，cixianquanchengweidianganxianquanhuodianganqi。genjudianciganyingyuanli，dangxianquanyucichangyouxiangduiyundong，huoshixianquantongguojiaoliudianliuchanshengjiaobiancichangshi，huichanshengganyingdianyalaidikangyuancichangbianhua，erciyizhidianliubianhuadetexingjiuchengweidiangan。

電感值的公式如式（1）

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，其與磁導率、繞組匝數N的平方、及等效磁路截麵積Ae成正比，而與等效磁路長度le成反比。電感的種類很多，各適用於不同的應用之中；電感量與線圈繞組的形狀、大小、繞線方式、匝數、及中間導磁材料的種類等有關。

電感依鐵芯形狀不同有環型、E型及工字鼓型；依鐵芯材質而言，主要有陶瓷芯及兩大軟磁類，分別是鐵氧體及粉末鐵芯等。依結構或封裝方式不同有繞線式、多層式及衝壓式，而繞線式又有非遮蔽式、加磁膠之半遮蔽式及遮蔽式等。

二、電感鐵芯種類

用於開關轉換器的電感器屬於高頻磁性組件，中心的鐵芯材料最是影響電感器之特性，如阻抗與頻率、電感值與頻率、或鐵芯飽和特性等。以下將介紹幾種常見的鐵芯材料及其飽和特性之比較，以作為選擇功率電感的重要參考：

1. 陶瓷芯

陶tao瓷ci芯xin是shi常chang見jian的de電dian感gan材cai料liao之zhi一yi，主zhu要yao是shi用yong來lai提ti供gong線xian圈quan繞rao製zhi時shi所suo使shi用yong的de支zhi撐cheng結jie構gou，又you被bei稱cheng為wei。因yin所suo使shi用yong的de鐵tie芯xin為wei非fei導dao磁ci材cai料liao，具ju有you非fei常chang低di的de溫wen度du係xi數shu，在zai操cao作zuo溫wen度du範fan圍wei中zhong電dian感gan值zhi非fei常chang穩wen定ding。然ran而er由you於yu以yi非fei導dao磁ci材cai料liao為wei介jie質zhi，電dian感gan量liang非fei常chang低di，並bing不bu是shi很hen適shi合he電dian源yuan轉zhuan換huan器qi的de應ying用yong。

2. 鐵氧體

一般高頻電感所用的鐵氧體鐵芯是含有鎳鋅或錳鋅之鐵氧體化合物，屬於矯頑磁力低的軟磁類鐵磁材料。圖1為一般磁鐵芯之磁滯曲線，磁性材料的矯頑磁力HCyichengweibaocili，xizhidangcixingcailiaoyicihuadaocibaohehou，shiqicihuaqiangdujianweilingshisuoxudecichangqiangdu。jiaowanlijiaodidaibiaodikangtuicinenglijiaodi，yeyiweizhecizhisunshijiaoxiao。

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圖1：磁鐵芯之磁滯曲線

3. 粉末鐵芯

粉(fen)末(mo)鐵(tie)芯(xin)亦(yi)屬(shu)於(yu)軟(ruan)磁(ci)類(lei)鐵(tie)磁(ci)材(cai)料(liao)，是(shi)由(you)不(bu)同(tong)材(cai)料(liao)的(de)鐵(tie)粉(fen)合(he)金(jin)或(huo)隻(zhi)有(you)鐵(tie)粉(fen)所(suo)製(zhi)成(cheng)，配(pei)方(fang)中(zhong)有(you)顆(ke)粒(li)大(da)小(xiao)不(bu)同(tong)的(de)非(fei)導(dao)磁(ci)材(cai)料(liao)，因(yin)此(ci)飽(bao)和(he)曲(qu)線(xian)較(jiao)為(wei)緩(huan)和(he)。粉(fen)末(mo)鐵(tie)芯(xin)多(duo)以(yi)環(huan)型(xing)呈(cheng)現(xian)居(ju)多(duo)，如(ru)圖(tu)2所示為粉末鐵芯及其截麵圖。

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圖2：粉末鐵芯

4.常見的粉末鐵芯種類

A. 鐵鎳鉬合金

鐵鎳鉬合金簡稱MPP，相對磁導率約14～500，飽和磁通密度約7500 高斯，比鐵氧體的飽和磁通密度（約4000～5000 高斯）高出許多。MPP 具有最小的鐵損，在粉末鐵芯中，溫度穩定性最好。當外加直流電流達飽和電流ISAT 時，電感值緩慢降低，不會急劇衰減。MPP 的性能較佳，但成本較高，通常作為電源轉換器之功率電感及EMI 濾波之用。

B. 鐵矽鋁合金 (Sendust)

鐵矽鋁合金鐵芯是由鐵、矽、及鋁組成之合金鐵芯，相對磁導率約26～125。鐵損介於鐵粉芯與MPP 及鐵鎳合金之間。飽和磁通密度比MPP 高，約10500 高斯。溫度穩定性及飽和電流特性比MPP 及鐵鎳合金稍微遜色，但較鐵粉芯及鐵氧體鐵芯為佳，相對成本較MPP 及鐵鎳合金便宜。多應用於EMI 濾波、功因修正（PFC）電路及開關電源轉換器之功率電感。

C. 鐵鎳合金（high flux）

鐵鎳合金鐵芯是由鐵及鎳組合而成，相對磁導率約14～200，鐵損及溫度穩定性均介於MPP 及鐵矽鋁合金之間。鐵鎳合金鐵芯的飽和磁通密度最高，約15000 高斯，且可耐受直流偏置電流較高，其直流偏置特性也較好。應用範圍有功因修正、儲能電感、濾波電感、返馳式轉換器之高頻變壓器等。

三.電感電氣特性

在設計開關轉換器並挑選電感器時，電感值L、阻抗Z、交流電阻ACR 與Q 值、額定電流IDC 與ISAT、以及鐵芯損失等等重要的電氣特性都必須考慮。此外，電感器的封裝結構會影響漏磁大小，進而影響EMI。以下將分別探討上述之特性，以作為選擇電感器之考慮。

1. 電感值

電(dian)感(gan)器(qi)之(zhi)電(dian)感(gan)值(zhi)在(zai)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)時(shi)為(wei)最(zui)重(zhong)要(yao)的(de)基(ji)本(ben)參(can)數(shu)，但(dan)必(bi)須(xu)看(kan)在(zai)工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)下(xia)此(ci)電(dian)感(gan)值(zhi)是(shi)否(fou)穩(wen)定(ding)。電(dian)感(gan)的(de)標(biao)稱(cheng)值(zhi)通(tong)常(chang)是(shi)在(zai)沒(mei)有(you)外(wai)加(jia)直(zhi)流(liu)偏(pian)置(zhi)的(de)條(tiao)件(jian)下(xia)，以(yi)100 kHz 或1 MHz 所量得。且為確保大量自動化生產的可能性，電感之容差值（tolerance）通常是 ±20%（M）與±30%（N）居多。圖3為利用表量測電感220M 之電感－頻率特性圖，如圖所示，在5 MHz 之zhi前qian電dian感gan值zhi的de曲qu線xian較jiao為wei平ping坦tan，電dian感gan值zhi幾ji乎hu可ke視shi為wei常chang數shu。在zai高gao頻pin段duan因yin寄ji生sheng電dian容rong與yu電dian感gan所suo產chan生sheng的de諧xie振zhen，電dian感gan值zhi會hui上shang升sheng，此ci諧xie振zhen頻pin率lv稱cheng為wei自zi我wo諧xie振zhen頻pin率lv，通tong常chang需xu遠yuan高gao於yu工gong作zuo頻pin率lv。

談談電感鐵芯材料對電感參數的影響

圖3：220M 電感-頻率特性之量測圖

2. 阻抗

如圖4，從阻抗圖也可以看出電感在不同頻率下的表現。電感的阻抗約與頻率成正比（Z=2πfL），因此頻率愈高，電抗會比交流電阻大很多，所以阻抗表現就如同純電感（相位為90˚）。而再往高頻，由於寄生電容效應，可以看到阻抗的自我諧振頻率點，過了此點阻抗下降呈現電容性，且相位逐漸轉為-90 ˚。

談談電感鐵芯材料對電感參數的影響

圖4：220M 之阻抗－頻率特性

3. 飽和電流

飽和電流ISAT 一般是標注在電感值衰減如10%、30%或40%之情況下的偏置電流。以氣隙鐵氧體而言，因其飽和電流特性非常急遽，10%與40%相差不大。但如果是鐵粉芯（如衝壓式電感），飽和曲線比較緩，電感衰減10%或40%的偏置電流相差很多，因此就飽和電流值。

4. 額定電流

IDC 值為當電感溫升為Tr˚C 時的直流偏置。規格書同時標注其在20˚C 的直流電阻值RDC。依銅導線的溫度係數約為3,930 ppm，在Tr 溫升時，其電阻值為RDC_Tr = RDC（1+0.00393Tr），其功耗為PCU = I2DCxRDC。此銅損功耗在電感器表麵散逸，可計算出電感的熱阻ΘTH：

談談電感鐵芯材料對電感參數的影響

5. 鐵芯損失

鐵芯損失，簡稱鐵損，主要由渦流損與磁滯損造成。渦流損大小主要是看鐵芯材料是否容易「導電」；若(ruo)導(dao)電(dian)率(lv)高(gao)，即(ji)電(dian)阻(zu)率(lv)低(di)，渦(wo)流(liu)損(sun)就(jiu)高(gao)，如(ru)鐵(tie)氧(yang)體(ti)的(de)電(dian)阻(zu)率(lv)高(gao)，其(qi)渦(wo)流(liu)損(sun)就(jiu)相(xiang)對(dui)的(de)低(di)。渦(wo)流(liu)損(sun)也(ye)與(yu)頻(pin)率(lv)有(you)關(guan)，頻(pin)率(lv)愈(yu)高(gao)，渦(wo)流(liu)損(sun)愈(yu)大(da)，因(yin)此(ci)鐵(tie)芯(xin)材(cai)料(liao)會(hui)決(jue)定(ding)鐵(tie)芯(xin)適(shi)當(dang)的(de)工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)。一(yi)般(ban)而(er)言(yan)，鐵(tie)粉(fen)芯(xin)的(de)工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)可(ke)到(dao)1MHz，而鐵氧體的工作頻率則可到10MHz。若ruo工gong作zuo頻pin率lv超chao過guo此ci頻pin率lv，則ze渦wo流liu損sun會hui快kuai速su增zeng加jia，鐵tie芯xin溫wen度du也ye會hui提ti高gao。然ran而er，隨sui著zhe鐵tie芯xin材cai料liao日ri新xin月yue異yi，更geng高gao工gong作zuo頻pin率lv的de鐵tie芯xin應ying是shi指zhi日ri可ke待dai。

另一個鐵損是磁滯損，其與磁滯曲線所圍之麵積成正比，即與電流交流成份的擺動（swing）幅度有關；交流擺幅愈大，磁滯損也愈大。在電感器之等效電路中，常用一個並聯於電感的電阻來表示鐵損。當頻率等於SRF shi，diangankanghedianrongkangdixiao，dengxiaodiankangweiling，cishidianganqizhizukangjidengxiaoyucitiesundianzuchuanlianraoxiandianzu，qietiesundianzuyiyuandayuraoxiandianzu，suoyizaiSRF 時的阻抗就約等於鐵損電阻。以一低壓電感為例，其鐵損電阻約在20kΩ 左右，若以電感兩端的有效值電壓5V 來估算，其鐵損約為1.25mW，這也說明了鐵損電阻愈大愈好。

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