了解电容电感才能学好开关电源：如何在开关电源设计中选择最合适的高功率电感的磁芯

了解电容电感才能学好开关电源：如何在开关电源设计中选择最合适的高功率电感的磁芯图1 为各种大型铁硅铝器件硅铁块具有离散间隙，与铁硅铝(Kool Mµ)的分步式间隙不同，因此随着电流增加，饱和出现要快的多。铁硅铝(Kool Mµ) 可利用饱和曲线的优点，设计出较小的电感器。硅钢装配件中所用的环氧树脂中一般不能像铁硅铝(Kool Mµ)在200 ℃操作。铁硅铝(Kool Mµ)成本低于同等大小的硅钢块。在铁损的部分，铁硅铝 (Kool Mµ)的磁芯损耗远低于硅钢叠片。用20µ铁硅铝和硅铁相比较，在10kHz和50kHz的频率情况下，硅铁的磁损更厉害。铁硅铝的特点和应用铁硅铝(Kool Mµ)是什么呢？简单来说，它是由铝-硅-铁组成，它拥有相当高的Bmax(1050mT)，它的磁芯损耗远低于铁粉芯及高磁通，有低磁致伸缩（低噪音），是低成本的储能材料，无热老化，可以用于替代铁粉芯，在高温下性能非常稳定。总结一下铁硅铝的特点：适当的成本，优于钼坡莫合金/高磁通以及复合合金；较

究竟是磁粉芯好，还是铁粉芯好？相信是许多工程师在进行开关电源方案的设计中经常碰到的疑问。在高功率电感的磁芯选择问题上，磁芯、粉芯、铁硅铝以及铁氧体中的选择和比较是工程师经常探讨的问题。市场上高功率电感的磁芯选择还是挺多的，可供选择的电感材料有：铁硅铝（Kool Mµ）、铁粉芯、铁硅（硅钢叠片）、间隙铁氧体、钼坡莫（MPP）和高磁通 (High Flux)等。那么他们究竟有什么特性适合怎么样的应用呢？
磁芯材料比较
铁硅铝与间隙铁氧体
铁硅铝和间隙铁氧体是两种常用的材质，在软饱和方面，间隙铁氧体必须在下降曲线的安全区进行设计。铁硅铝 (Kool Mµ)被设计在受控制的下降曲线范围中，这样就能够提供好的容错特性，特别是在高功率时候。
在磁通量比较方面，假设特定的50％下降设计点，铁硅铝(Kool Mµ)的磁通量是间隙铁氧体的2倍以上 这使磁芯的尺寸可缩小35％，设计时可以把磁芯的尺寸缩小30%至35%。
软饱和曲线使铁硅铝 (Kool Mµ)设计本身具有容错能力，而间隙铁氧体则没有。
铁氧体磁能力随温度变化，而铁硅铝 (Kool Mµ)保持相对稳定。很多铁氧体供应商或者厂家会给出产品在25℃到100℃不同环境下材质的差异。由于铁硅铝的材质及结构和间隙铁氧体不同，随着温度改变，变化不会很大。
在边缘损耗方面，铁硅铝 (Kool Mµ)不会发生边缘损耗，而间隙铁氧体有很大的边缘损耗。铁芯的间隙部分随着温度的增加损耗会增加。铁硅铝(Kool Mµ)也有间隙，但是这是均匀的分布式间隙，因为这个形式，在高功率的应用上会更好。
对于尺寸和储能，从铁硅铝(Kool Mµ)与锰锌铁氧体在LI2值比较中可以看出，当尺寸都是55mm的大小，测试铁硅铝用60µ，铁硅铝(Kool Mµ)在体积大小的情况下，储能大概是锰锌铁氧体的2倍多，如表1所示。
而当储能是一样的时候，LI2值一样，铁硅铝(Kool Mµ)体积缩小了很多，对于设计者来说，这有效缩小了设计尺寸。如表2所示。

表1 铁硅铝 (Kool Mµ) 与锰锌铁氧体之LI2值的比较

表2 铁硅铝 (Kool Mµ) 与锰锌铁氧体尺寸上之比较

间隙铁氧体也有很多优点，间隙铁氧体可以有很高的有效磁导率µeff，铁氧体可以在500 以上而铁硅铝 (Kool Mµ) 目前受限于 µeff = 125。间隙铁氧体使用在一些低功率的设计时更为适合。
间隙铁氧体电感系数的公差值较低，如果工艺好的话，多数的铁氧体电感系数的公差值为 ±3，而铁硅铝 (Kool Mµ) 为 ± 12% 。
间隙铁氧体有较多种类的形状，有Pot Cores、EFD's、PQ's等等，而铁硅铝 (Kool Mµ)形状目前受限于 E-Core、U-Core & Blocks。
铁硅铝与铁粉芯
除了承受直流偏置外，开关稳压电感器还有一定交流电，通常在10kHz至300kHz。这种交流电流会产生高频磁场，造成磁芯损耗并导致磁芯变热。这种情况在铁硅铝(Kool Mµ)中会减少，因此电感更有效率，温度更低。
铁硅铝(Kool Mµ) 的磁芯损耗低于铁粉芯。关于接近零的磁致伸缩问题，铁硅铝(Kool Mµ)非常适用于消除滤波电感中的音频噪音。铁硅铝(Kool Mµ)在制造时没有使用有机粘结剂，因此，没有任何热老化的问题。所有铁硅铝(Kool Mµ)磁芯都能在200 ℃下连续操作，相对的，铁粉芯有磁致伸缩。
铁硅铝与硅铁
大型电感器中也会使用特级的硅铁叠片，通常是块状或条状。硅铁的优势在于饱和磁通密度较高。铁硅铝 (Kool Mµ)形状（E、U、I型的磁芯）也可以经过适当的构造应用于大型电感器。虽然硅铁有较高的饱和磁通密度，但铁硅铝 (Kool Mµ)具备更多优点，例如较好的软饱和度、很低的磁芯损耗、温度稳定性和较低的成本。图1为各种大型铁硅铝器件。

图1 为各种大型铁硅铝器件
硅铁块具有离散间隙，与铁硅铝(Kool Mµ)的分步式间隙不同，因此随着电流增加，饱和出现要快的多。铁硅铝(Kool Mµ) 可利用饱和曲线的优点，设计出较小的电感器。
硅钢装配件中所用的环氧树脂中一般不能像铁硅铝(Kool Mµ)在200 ℃操作。
铁硅铝(Kool Mµ)成本低于同等大小的硅钢块。
在铁损的部分，铁硅铝 (Kool Mµ)的磁芯损耗远低于硅钢叠片。用20µ铁硅铝和硅铁相比较，在10kHz和50kHz的频率情况下，硅铁的磁损更厉害。
铁硅铝的特点和应用
铁硅铝(Kool Mµ)是什么呢？简单来说，它是由铝-硅-铁组成，它拥有相当高的Bmax(1050mT)，它的磁芯损耗远低于铁粉芯及高磁通，有低磁致伸缩（低噪音），是低成本的储能材料，无热老化，可以用于替代铁粉芯，在高温下性能非常稳定。
总结一下铁硅铝的特点：适当的成本，优于钼坡莫合金/高磁通以及复合合金；较低的损耗，优于铁粉芯；高饱和度，优于间隙铁氧体；接近零的磁致伸缩，优于铁粉芯；无热老化现象，优于铁粉芯；软饱和，优于间隙铁氧体及复合合金。
铁硅铝(Kool Mµ)有六种磁导率（26μ、40µ、60µ、75µ、90µ和125µ）和三种形状 Toroids、 E core、 U core & Blocks。
铁硅铝应用包括功率因数校正扼流圈，升压/降压稳压器，直流输出电感器和回扫变压器。
大型铁硅铝 Kool Mµ®应用在高电流 (功率)电感器、太阳能转换、UPS 不断电系统、混合动力汽车、风能转换和其他高电流应用。
除了大型铁硅铝，如图1所示还有一些平版型的铁硅铝。平版型的铁硅铝器件如图2所示。

图2 平版型铁硅铝
平版型的铁硅铝有两种选择，有传统的方型和圆形。如图3所示。

图3 方型和圆形的铁硅铝
相对方型的，圆形的有诸多优点，比如缩小整个电感器因绕制而增加的体积，在相同的匝数下减少绕线线长的使用，最小化的DCR (直流电阻），降低铜损，降低使用铜导线上的成本和整个电感器的绕制成本。
铁硅铝Kool Mµ (平板形) 的特点有应用于高电流的设计、漏磁减少至非常低、较佳的直流偏置特性、良好的散热效果和温度稳定性、具存储能量的高性能、可直接安装在PCB上。铁硅铝Kool Mμ( 平板形) 的应用有在DC / DC转换器、大电流扼流圈、电脑中的中央处理器圈。
综上所述，在磁芯的选择上，要着重注意四个问题：第一，选择合适的磁芯材料，铁硅铝（Kool Mµ）、钼坡莫合金、高磁通、铁硅合金或铁氧体，第二，选择合适的磁芯尺寸，包括形状和大小；第三，选择时要注意绕制上的考量，比如电流密度、绕线的长短和匝数；第四点，选择时要兼顾性能和成本。
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问答选编
问：铁硅铝磁芯适用的频率范围为多少？
答：铁硅铝磁芯的应用频率可以高达20MHz的频率，但通常人们会使用约100kHz至500kHz的频率在他们的设计中。
问：铁硅铝的形状是否可以按照客户的要求定制？
答：可以定制，但是具体尺寸是否真正能够提供要看具体需求。
问：铁硅铝在噪声抑制方面有什么优越性吗？
答：相对于铁粉芯，铁硅铝减少了高频应用时的噪声，拥有很低的磁致伸缩。
问：铁硅铝的最大工作和储存温度为多少？
答：由于涂层的关系，铁硅铝的最高温度为200℃，而磁芯本身可以高达500℃的温度。
问：现在有哪些比较好的针对电感性能测试的工具或者手段？
答：LCR仪表（HP4284）可以为您提供非常精确的电感测量。磁芯损耗仪表（Yokogawa）可以提供很准确的核心损耗测量。
问：从目前来看哪类磁芯较有发展前景？
答：这取决于你需要什么样的额定功率，对于低功率应用，铁氧体磁芯会比较适合，而在高功率应用上，铁粉磁芯和非晶磁芯将会比较适合。
问：除了在材料选择，还应该在哪些方面进行成本控制？
答：材料决定特点和性能，而成本取决于材料。
问：较大的直流偏场下，要保证电感值的最小直流漂移可选择哪种磁芯？
答：非晶磁芯。
问：同等功率的变压器设计中，铁硅铝与铁氧体相比，成本和体积上有何优势？
答：成本由材料决定，铁硅铝相对于气隙铁氧体大小可以减少约30％~35％。