交换式电源中的电感功率损耗

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1、TECHNOLOGY&APPLICATION·技术与应用如何估算交换式电源中的电感功率耗损HowestimatetheinductorpowerlossesinexchangePSMaximIntegratedproductsTravisEichhorn中图分类号：TM4文献标识码：B文章编号：1606-7517（2007）09-04-125在交换式电源中有许多耗损功率的来源，其中包括MOSFET、输入与输出电容、控制器的静态耗电以及电感等，本文主要讨论由电感所带来的耗损，而电感器上发生的功率消耗，基本上有两个部份，分别为磁心（core）本身的功率耗损以

2、及电感绕线所造成的功率耗损。1电感器原理基础介绍功率电感透过在交换周期中的导通时间，将能量储存在磁场内，并在断开时，将所储存的能量提供给负载，电感器是由缠绕在一个铁氧体磁心、以及其中空气间隙的绕线所形成。要了解电感器所造成的功率耗损，必须先对基本的电感器组成有所了解，包括磁动势、磁场强度、磁通量、磁场密度以及导磁率与磁阻等。为了避免涉及过于复杂的实际电磁场原理，因此可将磁性组件简单化。在交换式电源中，电感器的磁场大都后，磁阻则是物质对磁场的抗拒能力，同时也是磁动势相包含在磁心中，磁场主要由电流流经缠绕磁心的绕线所产对于磁通量的比值，也是方程式中磁心实体结

3、构的函数。生，而以韦伯（Weber）为单位的磁通量，则是磁场密度电感依两个定律运作，分别为安培定律（Ampere′乘以磁心截面积，磁场密度以特斯拉（Tesla）为单位，相sLaw）与法拉第定律（Faraday′slaw），安培定律与流当于磁场强度乘以磁心的导磁率。经电感器磁心磁场的电流大小有关，电感磁心的磁场强度以Henery′s/m为单位的导磁率是特定物质材料本身允在整个磁心长度内可以视为一致。法拉第定律则是电感器许磁通量通过的能力，物质的导磁率越高，磁通量通过就上电压相对于磁心的磁通量，可以透过方程式表示。(图越容易。功率电感包含了铁氧体与空气的组合

4、，因此其有一)(A)中显示了功率电感器的功能方块图，图一(B)则为一效值大约会介于磁性物质与空气的导磁率之间。个功率电感的等效磁性电路，加入的空气间隙会为低磁阻在这个例子，磁动势中大约为磁场强度乘以磁心的有铁氧体物质串行一个高磁组成份，造成大部份磁动势出现效长度，有效长度是磁通量环绕磁心的路径长度，在(图在空气间隙中。一)(B)的磁性电路中，Φ（t）可以视为磁通量的来源，最电感器的值可计算得出，由于铁氧体材料拥有高导磁2007.09·125技术与应用·TECHNOLOGY&APPLICATION率，因此相当容易让磁通量通过，这将可协助将磁通量维3电感器磁

5、心的功率耗损持在电感器的磁心，同时创造较小尺寸高磁性电感器的可能性。这亦可由上述的电感方程式分析出，采用相关磁心在交换周期中，因磁心磁性能量变化所造成的能源耗物质，就可以使用较小的截面积。损，为导通时间以磁能方式存入磁心、以及在关闭时由磁心所提取磁能量间的差异。因此，存入磁心的总能量为图2电感器的运作原理二中B-H回路阴影区域乘上磁心的体积大小。当电感器电流下降时，磁场强度降低，磁通密度会循着图二中的不同功率电感器的运作原理如下。不管是升压式或降压式路径（依据箭头的方向）变化，其中大部分的能量会进入转换器，当一次端的开关在电源电压加到电感器上时，都负载，

6、储存能量与发出能量间的差，就是能量的耗损。磁会造成电流增加，依安培定律，电流的变化会造成磁心材心的能量耗损为B-H回路所画出的区域乘上磁心的体积，料的磁场变化，接着引发流经电感器磁心的磁通量上升，这个能量乘以切换频率就是功率耗损。迟滞耗损依函数而以磁场密度改写方程式。另一方面，在一次端开关断开的定，对大部分的铁氧体材料来说，n大约位在2.5到3的范关闭时间，也就是电源电压移除的情况下，磁场大小会开围，但这只有在磁心没有成为饱和状态、同时交换频率落始下滑，造成电感器磁性能降低，依法拉第定律，降低速在规定运作范围内才有效。图二中的阴影区域显示，B-H率会带来

7、电感器两端电压的变化。回路的第一象限为磁通密度的运作区域，因为大部分的升（图二）以粗线方式显示一个以正弦波方式变化输入压式与降压式转换器都以正电感电流运作。电压的函数图，称为磁滞回路，并以递增的方式来测量，电感器磁心的第二个耗损来源为涡流电流。涡流电相对反应并非线性，同时存在一个磁滞区间，也因此称为流是磁心物质因磁通量变化所造成的电流，依据愣次定律迟滞回路，迟滞区间是造成电感磁心功率耗损的磁心材料(Lenz′sLaw)，磁通量的变化会带来一个产生与初始磁通特性之一。量变化方向相反的反向电流；这个称为涡流的电流，会流进传导磁心材料，并造成功率耗损。这也可以

8、由法拉第定律看出。由涡流电流所造成的磁心功率耗损，正比于磁心磁通量变化率的平方。