磁性器件损耗的分析设计优化

2019-12-31 09:05

扩散磁通损耗

在设计电感工作时输入的电流波形是一个直流分量叠加一个开关频率的纹波，因此在设计电感时为了在磁芯中瞬间存储能量，磁路中需要有一个较大的磁势，因此一般都需要添加气隙。在磁路设计时，因为磁芯（比如铁氧体）和磁绝缘物质（比如空气）之间的磁导率比例系数大约为10＾3，因此磁通在磁路中并非完全限制在磁芯中，气隙的存在会使这部分散落在空气中的磁通增加。

在含有气隙的电感中，绕组的磁势和气隙的磁势是平衡的，因为绕组的磁势较大，所以气隙的磁势也较大，而且由于气隙和磁芯的磁导率的差异相对较大，磁势主要降落在气隙上面。绕组磁势和气隙磁势的相对位置的不同会导致不同的气隙边缘磁场分布。

高频电感中气隙的添加方式主要有以下几种：

①采用只在中心柱中添加单气隙的方式。这种方法在磁芯窗口中产生的边缘磁通较大，高频时边缘磁通切割绕组导体，在导体上会产生很大的边缘磁通损耗。由于气隙磁势和整个线圈的安匝数相同，因此单气隙周围的磁场会很强，磁芯窗口中的磁场的二维效应特别严重，尤其是气隙附近。

②采用在三个磁芯柱上都添加气隙的方式。在磁路气隙长度一定的情况下，这种方法由于减小了气隙的尺寸，即每个磁芯柱上气隙长度是中柱单气隙的一半，因此每个气隙的磁势是整个线圈安匝数的一半，气隙磁势的降低大大减小了气隙的边缘磁通，因此边缘磁通在导体上造成的损耗会有较大减小，但是这种方式会造成较大的外部散漏磁场，这部分磁场虽然不会造成电感的额外涡流损耗，但是会对周围器件产生一定的电磁干扰。

③采用分布式气隙的方式，即将中柱的大气隙分割成若干个小气隙，而气隙总长度不变的方式。这种方式会减小气隙边缘磁通，从而对减小电感的涡流损耗有益，但此种磁芯需要特殊加工。

④采用均匀分布式气隙。即磁芯中柱使用低磁导率材料，相当于气隙均匀分布在磁芯中，减小了气隙边缘磁通，但是这种方式磁芯需要特殊加工，低磁导率材料在高频时磁芯损耗会比较大，但是这种方式可减小导体的涡流损耗

在下图中分别分析三种不同的电感气隙布置方式对边缘磁通分布的影响。气隙放置在中柱上时的磁通分布如图（a）所示，等效气隙放置在中柱和外侧柱时的磁通分布如图（b）所示，磁芯中柱用均匀分布气隙磁芯代替时的磁通分布如图（c）所示，由图可知：（a）中边缘磁场范围较大（b）中气隙尺寸减小后，边缘磁场范围减小了一些（c）中的边缘磁场最小。在（c）中由于气隙和绕组的长度基本相同，因此二者磁势的空间分布的不平衡因素最小，使得这种情况下的气隙边缘磁场最弱，窗口磁场的分量基本上是平行于导体的一维分布，类似于变压器中的漏磁场。

在导体中流过高频电流时，气隙边缘磁场也是高频交变的，因此它会在导体中产生很大的涡流损耗，用有限元方法对此分析非常方便。当采用（a）中的气隙分布时漏在空气中的磁场较小；而（b）中的散落在空气中的外部磁场较大，对外界电磁污染较大；（c）中气隙边缘磁场和外部磁场都比较小，使用时应该根据实际要求折衷考虑。

气隙处于的三种不同位置的电感图示

我们以气隙至磁芯顶部的距离与磁芯中柱高度之比（hg／h）为变量，可得出气隙在不同位置时电感器损耗变化图如下：

损耗随气隙位置变化图参考

由此图可知，气隙在中间时损耗最小，在两端时损耗最大，差别可达100％。这也就是我们通常EE Core用得比EI Core多的一个原因。

扩散磁通与气隙形状有关，与位置关系不大，当然当它在两端时由于磁路长度发生一定变化，还是有所变化的。

减小气隙边缘磁通的方法主要有以下几种：

①通过使导体远离气隙，保持导体和气隙之间有一定的距离来减小气隙边缘磁通的影响，但是磁芯窗口宽度是很有限的，这样做会减小磁芯窗口的利用率。

②将绕组导体放置在磁芯窗口中一个固定的区域中，而这个区域边缘磁通很小，这种方式同样可以减小气隙边缘磁通造成的导体涡流损耗，但是这种方式增加了绕线的复杂性。

③采用分布式气隙或均匀分布气隙。因为在气隙总长度不变的情况下，每个气隙的尺寸得以减小，这种方式可以在很大程度上减小气隙边缘磁通，它附近导体的涡流损耗会有较大的改善，但是这种方式的磁芯需要特殊的加工，比较复杂。同时增加太多的小气隙，对减少绕组的损耗不一定明显。

漆包线绕组和铜箔绕组的磁通分布＆绕组损耗随气隙间磁柱长度变化：

对上图所示的结果进行分析，刚开始增加气隙的个数，能大大减少绕组的损耗。但气隙的个数增加到6到7个气隙以后，再增加气隙的个数对绕组损耗影响不大。

在方案1中当磁柱上为一个集中气隙时，气隙长度为0．6mm，绕组距磁芯边柱的距离为0．45mm，即绕组距边柱为0．75个气隙长度。当磁柱上为两个小气隙时，气隙长度为0．3mm，绕组距边柱为2个小气隙的距离，此时增加气隙能大大减少绕组的损耗。

当磁柱上为4个气隙时，小气隙长度为0．15mm，绕组距边柱为3个小气隙长度，以后再增加气隙的个数，绕组损耗的减少就不多了，当气隙增加到6个时，小气隙长度为0．1mm，绕组距边柱为4．5个小气隙长度，以后再增加气隙的个数，绕组损耗的减少就不明显了。这和绕组应避开气隙3个气隙长度的距离是一致的。因为再增加绕组避开气隙的距离，气隙附近的扩散磁通对绕组的损耗影响就较小了。根据上面的分析，当绕组距气隙的距离增大时，所需的小气隙个数应该减少。

根据前面的分析，为了减少绕组损耗，小气隙的个数应增加到使绕组距气隙的距离大于3个小气隙。但没有必要增加气隙的个数使绕组距气隙的距离大于5个小气隙的距离，因为此时再增加气隙个数对绕组损耗影响很小。

由以上分析可以得到以下结论：

1）高频磁件绕组的交叉换位技术能够有效降低绕组的交流电阻和漏感；

2）绕组层间距对交流电阻的影响与磁件的结构有关；

3）采用分布气隙可以有效降低气隙扩散磁通的影响，另外变换气隙的位置及绕组相对气隙的形状，也可以减小绕组的交流电阻。

4）气隙设在磁芯窗口的拐角处或其附近，使扩散磁通更容易深入到磁芯窗口内，易导致绕组损耗增加。分别由漆包线和铜箔构成的绕组，电感气隙位置对磁芯窗口内旁路磁通的影响是不同的，最终导致对电感绕组损耗影响的不同。

5）采用分布小气隙代替集中的大气隙时，当气隙间的磁柱长度约为5个气隙长度左右时，气隙之间的影响较小。

采用较多的分布小气隙代替集中气隙时，小气隙的个数应增加到使绕组距气隙的距离大于3个小气隙。但没有必要增加气隙的个数使绕组距气隙的距离大于5个小气隙，因为此时再增加气隙个数对绕组损耗影响很小。

磁性器件损耗优化设计总结如下：