大功率直流濾波電感設計與計算

傅璐璐，趙洪

（麗水職業技術學院機電工程學院，浙江麗水，323000）

0 引言

電感器作為電路的三大基本元件之一，在電路中有廣泛的應用。小功率電感器工作時通過的主要是對稱交流電流，故常規的設計計算方法得出的電感一般都能滿足要求，其結果也比較準確，但大功率脈動直流電感器流過主要是直流電疊加交流電形成的脈動直流電，設計計算往往誤差太大而無法應用。

1 原因分析

大功率電力電子電路所需的直流濾波電感工作時，通過電感的主要是含一定交流成份的脈動直流電流，該電流中直流分量占據了主要地位。以全波整流的濾波電感為例，交流電通過全波整流后輸出的是100Hz的半個正弦波，如圖1所示,其函數表達式為：

圖1

根據傅里葉分析可知，脈動直流電可以分解為一個直流分量與若干個交流分量；

電感器工作時鐵芯中除由交流分量激發的交變磁通外，還有由直流分量產生的直流磁通，該磁通迫使鐵芯工作點發生偏移，常規方法設計計算結量往往誤差較大，無法滿足實際使用要求。

為什么會產生這樣的結果？

Ψ:磁鏈；i:通過電感的電流大小。

又 ∵ φ=BS ， B H

根據安培定律：IN=Hl

圖2

對于一個具體的電感器，上述式子里的N、S l均為固定值，唯有磁導率μ是變量，由于磁性材料的非線性，μ隨著材料的磁飽和度的變化而變化，如圖2所示。大功率直流電感器中通過的電流是脈動直流電，以上述全波整流為例，該電流存在一個大小為的直流分量，該直流分量通過電感在鐵芯中就會產生一個直流磁通使得鐵芯工作點由磁滯曲線中心O點偏移至Q點如圖3所示。由于Q點處于磁滯曲線靠近飽和區域，此時再疊加通過正弦交流電時，磁通的變化范圍大大減小如圖中u'0所示，呈現出的電感量也就大大降低。大功率電感中的直流分量相當大，到一定程度時，鐵芯磁通產生較大的磁飽和，磁導率下降而引發電感量的大幅度下降，甚至電感量可能會降到零。

因此直流電感的設計要充分考慮到直流分量對工作點偏移，正確選擇鐵芯材料的磁導率才是設計成敗的關鍵因素。

2 脈動直流電感的設計流程

確定設計的原始參數，電感器設計任務書必須明確的最重要的幾個原始參數，分別是：

（1）電感額定工作電流IN；

（2）工作頻率fN；

（3）額定電感量LN；

（4）電流脈動幅值ΔI等。

圖3

■2.1 鐵芯材料選擇

額定工作頻率fN是鐵芯材料選擇的主要依據，鐵芯的損耗分為磁滯與渦流兩種，其中磁滯損耗往往大于渦流，且直接受工作頻率影響，故頻率決定了電感鐵芯的材料，當fN<1000Hz低頻時盡量選擇硅鐵鋼片，磁通密度高、成本低、取材容易等優點，在低頻場合是應用最為廣泛的磁性材料。在體積要求較高的場合，可選擇導磁率更高的鈹莫合金，當頻率超過10kHz以上才考慮選用鐵氧體，相關鐵氧體的材料有較大的選擇余地，可以查相關產品樣本，根據自身的條件決定。在選材時考慮頻率的同時也應適當兼顧材料的最大磁通密度、磁導率、熱損耗等因素。

■2.2 選擇電感工作點計算工作磁導率

根據選擇的鐵芯材料性質，選擇電感器的工作點。該工作點要考慮到電感在通過電流達到最大值（Imax=IN+ΔI）時，鐵芯磁通的飽和程度，如硅鋼片一般選擇最大值在1.6T左右，鈹莫合金可選在2T以上，而鐵氧體要更低一些選在0.35T就可以了。由于磁性材料的非線性，故計算結果是非唯一性決定了一個好的設計需要通過反復計算。

選定材料及電感工作點后的重要工作就是要計算工作點附近的磁導率μ，根據磁導率的定義在磁滯曲線上直接讀出磁通的微變化率，如圖4所示，再根據磁導率定義直接計算得到：

μ是否正確是設計的關鍵。

有條件最好實驗室實際測量一下材料的磁導率，可以避免很多計算的不確定性，現在有很多能測量微變磁通磁導率的精密R、L、C測量儀，我們常用的是常州同惠TH2816B型RLC精密數字電橋。

圖4

■2.3 粗選鐵芯截面積與鐵芯尺寸

根據相關手冊選擇鐵芯的規格尺寸，計算鐵芯的截面積S與磁路長度l。由于通過電感的電流主要是直流分量，故初始計算可以直接用額定電流IN計算鐵芯的磁通量確定鐵芯截面積S。

■2.4 計算電感繞組匝數

根據公式：

得出電感線圈匝數：

相同的一個電感器，繞組匝數越多電感量越大，鐵芯截面積越大電感量也越大；匝數與鐵芯截面積兩者共同決定電感器電感量的大小，也共同決定了電感器的體積大小。設計時應根據電感器體積限制條件不斷調整上述兩個項，最終得出一個可以接受的適中方案。

■2.5 計算導線線徑

導線線徑大小需要考慮通過線圈的額定電流IN、工作溫升等因素，按下式計算：

SD:導線截面積；

D:導線直徑；

jD:導線單位截面積載流量，通常取3-5A/mm2；考慮集膚效應jD取值隨導線截面積SD而適當的變化;SD<10mm2取jD=5A/mm2;SD=11-99mm2取jD=4A/mm2;SD>100mm2取jD=3A/mm2;鋁線則在上面的數值后除以2。

考慮工藝上的難度，當SD>10mm2時可以采用多股絕緣線，以減少集膚效應，采用多股絕緣線的時jD=5A/mm2。

■2.6 校核窗口面積

根據上述計算出線徑、匝數后，校核窗口面積Sc，校

核窗口容積率η：

S:鐵芯窗口面積。

制作工藝不同窗口容積率也不同，通常應取70～80%之間，太高了增加繞制困難，太低了則材料利用率低。

■2.7 電感量

校核電感量完成設計。

3 結束語

電感元件設計很復雜，要直接得到唯一答案不可能，我們按此流程設計了10kW、20kW的直流微電網濾波電感，實踐表明計算過程非常簡單，所得計算結果也基本符合預期，大大降低了設計計算誤差。

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