电子镇流器中电感线圈参数的选择与计算.pdf
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1、盛元半导体第三届技术研讨会演讲主题集锦整理人:雷鸣电子镇流器中电感线圈参数的选择与计算 陈传虞摘要本文首先介绍了磁性材料的特性,然后根据它的特性,讨论电子镇流器中电感线圈参数的选择与计算方法,包括选用磁芯尺寸、气隙大小、线圈圈数和漆包线线径等。关键词:锰锌铁氧体初始磁导率磁通密度饱和磁通密度功率损耗居里温度气隙Abstract:The article introduces the electrical and magnetic properties of ferrite material at first.And then discusses the selection and calcula
2、tion methods of the inductance coils in electronic ballast,including how to select the ferrite core,air gap,coil turns and wires diameter.Key Words:Mn-Zn Ferrite Initial permeability Flux density Saturation flux density Power loss Curie temperature Air gap 考虑到一些工程技术人员对磁性材料及所涉及的计算公式不够熟悉,为便于展开讨论,本文从基础
3、知识讲起,首先介绍在电子镇流器中常用的锰锌铁氧体磁性材料的一般特性和磁路的基本计算公式,然后,在此基础上,再讨论电感线圈计算中有关问题,包括磁芯尺寸、气隙大小、磁芯中的磁感应强度、磁芯损耗以及线圈的圈数和线径的计算等。这些内容对于从事电子镇流器设计的人员无疑是很有用的。一锰锌铁氧体磁性材料的一般特性表征磁性材料的磁性参数有以下数种:1.初始磁导率i初始磁导率是基本磁化曲线上起始点的磁感应强度B与磁场强度 H之比。任何一种磁性材料的初始磁导率可以按以下方法求得:用该材料做成截面积为A(cm2)的圆环,平均直径为D(cm),在圆环上均匀分布绕线N匝,在 LCR 电桥(例如TH2811C数字 LCR
4、 电桥)上,测出其电感为 L(H),则可按下述计算公式求出其磁导率 (1)式中,Le、A e分别代表磁芯磁路的有效长度及有效面积,如式(1)除以真空磁导率0(0=4 10-7(H/m),则得到相对初始磁导率,它可以表示为:式(1)、(2)中,L的单位为亨(H),D、有效长度 Le的单位为cm,A、有效面积A e的单位为 cm2。如 D、A分别换用 mm、mm2为单位,则式(2)中最后一项应换成1010。公式(2)由于除以0,所以是无量纲的,一般在磁性材料的工厂手册中给出的初始磁导率,就是按式(2)求得的。例 1 有一个 R5K 材料磁环,其尺寸为外径12mm、内径 6mm、厚 4mm,试计算其
5、相对初始磁导率。解:在磁环上绕4 匝线圈,测出其电感(用TH2811C 数字 LCR电桥在 10kHz条件下测 Mobile:+86-13828816686 此文章归属于陈传虞教授所有,不得随意转载及用于营利性商业用途1http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛 盛元半导体第三届技术研讨会演讲主题集锦整理人:雷鸣量电感)为53.1H。直接查厂家提供的数据表,查得磁环的有效磁路长度Le=26.1mm,有效截面积为11.3mm2。如没有这些数据,作为粗略估算,其有效磁路长度可按外径和内径的平均值计算出圆环的周长来代替,即Le=(12+6)/2=9 mm=28.2mm;有效截面积并非等于由
6、磁环厚度与其外径、内径之差的乘积计算出的实际面积,而应考虑磁场强度(或磁通密度)沿半径方向内强外弱的线性变化,磁通并非均匀分布,故实际面积应除以2,才是其有效面积。按这样方法求得的值为12mm2,与手册表中所给数据差不多,代入式(2)得:根据以上计算,上述材料应为R5K 材料。目前工厂使用的测量磁导率的仪器,如磁环参数分选仪UI9700,仪表指示的不是相对初始磁导率的绝对值,而是它的相对大小。磁性材料的初始磁导率i不是固定的,它随温度的变化而变化,如图1 所示。图中给出的是金宁公司的磁性材料JP4A(相当于 TDK 的 PC40)的初始磁导率随温度变化的曲线。图 1(相对)初始磁导率随温度之变
7、化2.有效磁导率e(Effective permeability)在闭合磁路中,用有效磁导率e来表示磁心的导磁性能:(3)式中,L 为装有磁心的线圈的电感量(亨利,H),N 为线圈的匝数,le 为磁芯的有效磁路长度(mm),Ae为磁芯的有效截面积(mm2)。,0为真空磁导率(4 10-7H/m)显然这里e是相对于真空磁导率的比值,也是无量纲的。如果在闭合磁路中,磁芯各段截面积不同,此时磁芯的有效磁导率为 Mobile:+86-13828816686 此文章归属于陈传虞教授所有,不得随意转载及用于营利性商业用途2 http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛 盛元半导体第三届技术研讨会演
8、讲主题集锦整理人:雷鸣(4)式中L 为装有磁芯线圈的自感量(亨),N 为线圈匝数,Li 为具有均匀截面积第i部分的磁路长度(mm)Ai 为该部分的截面积(mm2)对于一个中心开有气隙长度为lg的E形磁芯,如忽略磁芯本身的磁阻,认为磁场强度全部降落在气隙上,则有效磁路长度即等于lg,式(4)最后一项可去掉符号,简单地写作lg/Ae,如此,式(4)将变为因为空气隙的相对有效磁导率e为 1。以e=1,带入上式,由此可得气隙lg的表达式为:lg=4?10-10N2?Ae/L(5)式中,lg以mm为单位,Ae 以 mm2为单位,L以亨为单位。在国外某些公司发表的技术资料中采用式(5)作为初步估算气隙长度
9、的依据。但如果计算出来的气隙不够大,则磁芯部分不能忽略不计,这个数值是不够准确的。3.电感因数(Inductance Factor)电感因数是指磁芯的单匝电感量。一个装有磁心的电感,绕有N匝线圈,其电感值为L,则磁芯的单匝电感量即电感因数AL,可按下式求得:AL=L/N2或L=N2?AL(6)AL单位为 nH匝2(有的资料省去分母不写,简写为 nH)。一般取 N=100,测得电感量 L后,按式(6)计算出 AL值,厂家在其产品手册会给出未磨气隙的每种规格磁芯的AL值以及有效磁路长度、有效截面积、有效体积等,例如PC30 材料 EEI3 的AL值为 1000nH;EE16A的AL值为 1100n
10、H;EE25A 的AL值为 1900nH。由于磁性材料参数的零散性,这个数值并不很准确,有+/-(15 25)%的误差。我们使用时,一般都磨气隙,由于有气隙存在,AL值虽然变小了,但是电感因子却相对稳定了,零散性也小了。为求得磨气隙后磁芯的AL值,我们可以在相应骨架上先绕100 匝,装上磁心,测得其电感值L,根据式(6),即可算出开气隙后磁心的 AL值。例如 EE25A中心磨气隙1.6mm.后,其 AL值降为 59.6 nH。已知某种型号磁芯的AL值,要求绕制的磁芯线圈的电感量为L,可求得所需绕的线圈的匝数 N(7)电感量和圈数的平方成正比,圈数变化1%,电感量大约变化2%。在绕制电感时,如只
11、在小范围内改变电感量时,可按此原则调整、估算圈数。例 2 已知 EE16(中心磨气隙0.8mm)的 AL值为 46.8 nH/匝2,为绕制2.8mH的电感,应绕多少匝数N?解:根据式(7),代入 L 及值,得LAN=LAL=93108.46108.2-=244 例 3 已知某电感采用EE16 磁芯,所绕匝数 N1为 305、电感量 L1为 4.5mH,今欲绕制的 Mobile:+86-13828816686 此文章归属于陈传虞教授所有,不得随意转载及用于营利性商业用途3http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛 盛元半导体第三届技术研讨会演讲主题集锦整理人:雷鸣电感为 L2=3.4m
12、H,试求出应绕的匝数N2解:由公式(7)知1N=LAL1=2NLAL2两式相除,得2N=1N12LL(8)代入相应值2N=3055.44.3=265 匝所以,已知磁芯的AL值,对于确定电感所应绕的匝数是很有用的。4.饱和磁通密度(Saturation magnetic flux density)饱和磁通密度是一个很重要的参数,对镇流器是否能可靠地工作关系很大。如所熟知,当电流(或磁场)增加到某一数值后,磁芯就会饱和,磁通密度不再增加,如图2 的曲线所表示的那样。此时,磁导率很低,该磁通密度称为饱和磁通密度,以Bs表示之。Bs不是固定的,随温度的升高而下降,在80100C下,比室温下低得很多。由
13、图2 可以查出,在节能灯中常用的 PC30、PC40 材料在 25时,Bs=510mT,而在 100时,Bs只有 390 mT,下降了 20%多。应该指出的是,磁芯工作时允许的磁感应强度要比上述的390 mT 低得多,一方面因为在100时接近300 mT 附近磁芯的磁导率已开始降低,另一方面,如工作时磁芯的磁感应强度较大,则磁芯损耗亦较大(见图4)。所以在工程计算中均取B为 200230mT 作为磁芯工作时允许的最大磁感应强度值,远离磁饱和。图 2 饱和磁通密度随温度变化曲线在一体化节能灯或电子镇流器中所用磁性材料,如果由于工作温度升高,则其磁芯的Bs值下降,造成磁导率及电感量减少,流过电感的
14、电流上升,在电流的峰值附近出现很大的尖峰,如图3 所示。这种情形是很危险的,它会导致电感量进一步减少及电流进一步加大,最终使电感失磁,L=0,三极管因电流过大、管子结温过高而损坏。Mobile:+86-13828816686 此文章归属于陈传虞教授所有,不得随意转载及用于营利性商业用途4 http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛 盛元半导体第三届技术研讨会演讲主题集锦整理人:雷鸣图 3 电感饱和后电感线圈中的电流波形5.磁性材料的功率损耗(Power loss of magnetic material)磁性材料的功率损耗是一个很重要的参数,它反映磁芯工作时发热的程度,损耗大,发热就
15、厉害。带有磁芯的线圈,其功率损耗包括线圈电阻的功率损耗(俗称铜耗)和磁芯材料的功率损耗(俗称铁耗)。磁芯材料的功率损耗包括磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗三部分。大家知道,磁芯中磁感应强度B 的变化滞后于磁场强度H 的变化,并呈现出封闭的磁滞回线形状,磁滞损耗的大小与磁滞回线所包围的面积呈正比。也与频率成正比。涡流损耗则是由于交变磁通穿过磁芯截面时,在与磁力线相垂直的截面内环绕交变磁通会产生涡流,涡流亦产生功率损耗。它与磁通变化的频率,磁性材料的电阻大小有关。一般磁芯材料的电阻愈大、工作频率愈低,涡流损耗愈小;反之亦然。上述损耗与频率及其工作时的磁感应强度有关,工作频率愈高、磁感应强度愈大,则其损
16、耗亦愈大。图 4 给出了磁性材料JP4A(PC40)在不同的磁感应强度下损耗随频率变化的情况,随着频率增加,损耗亦加大。例如在 200mT、100oC的工作条件下,当频率由20kHZ变为 40kHZ时,功率损耗密度由20kW/m3(20W/mm3)增加为50kW/m3(50W/mm3),大约增加为原来的 2.5倍。可见,在同样的磁感应强度下,磁心损耗随其工作频率的增加而增加。因此,提高镇流器的工作频率,则电感损耗将加大;反过来,降低镇流器的工作频率,将有利于减少镇流电感的功耗和发热。在某些大功率的镇流器中,把频率调到2030kHZ附近,其目的即在于此。图 4 在不同的感磁应强度下损耗随频率的变
17、化由图还知,在同一频率下,磁芯损耗随磁感应强度的增加而增加,例如在 40kHZ、100?C Mobile:+86-13828816686 此文章归属于陈传虞教授所有,不得随意转载及用于营利性商业用途5http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛 盛元半导体第三届技术研讨会演讲主题集锦整理人:雷鸣条件下,当磁感应强度由150mT增加到200mT 时,功率损耗密度由50kW/m3增加为100kW/m3,大约增加为原来的2 倍,如果磁感应强度为300mT时,功率损耗密度将增加为250kW/m3,大约增加为原来的5 倍。可见,磁心损耗随其工作感磁感应强度的增加而增加。同一种材料和尺寸的磁心,在
18、保持电感不变时,增加气隙,能减少其磁感应强度(以后会讲到),对于降低功率损耗是有利的。或者,在同样的气隙下,减少电感量,就会减少磁感应强度,也能降低磁芯的损耗。当然,如采用大一号的磁心,也会大大降低磁心的磁感应强度和它的发热程度。不过,增加气隙,虽能减少磁芯损耗,但线圈的圈数要增加,铜损会增大,而且窗口的面积会容纳不下线圈。所以,气隙的增加也是有限度的,并非愈大愈好。应对铜损和铁损两者综合加以考虑才对。例 4 已知某大功率电子镇流器所用电感为PC40(JP4A)材料、EE28 磁芯,磁芯的磁感应强度为200mT,EE28 的有效体积V e为 5254mm3。计算它在100?C的条件下,当频率为
19、20kHZ和 40kHZ时磁芯的功率损耗,如磁感应强度增为300mT,再计算其损耗。解:磁芯的损耗P=PCVe,在图 4 中查出相应的单位体积的损耗PC值当磁感应强度为200mT时,在 20kHZ时,P=20W/mm35254mm3=0.105W 在 40kHZ时,P=50W/mm35254mm3=0.26W 当磁感应强度为300mT时,在 20kHZ时,P=105W/mm35254mm3=0.55W 在 40kHZ时,P=350W/mm35254mm3=1.8W 可见,在 100?C、300mT 时,磁心的损耗是十分惊人的,所以,降低工作频率和磁感应强度很有必要。选择磁芯工作的磁感应强度,不
20、仅从是否饱和,还要从损耗大小综合考虑,前面提到的以200230mT 作为计算磁感应强度B 的参考值,就是基于以上的双重考虑。图 5 表示 JP3(PC30)、JP4A(PC40)在不同的频率下损耗随温度变化的情况。材料的损耗在某一温度下为最低,出现一个谷点。在谷点左边,随温度的增加,损耗减少;在谷点右边,随温度的增加,损耗亦增加。0 图 5 磁芯中功率损耗随温度的变化曲线对于 PC30(JP3)材料,谷点大约在75左右,对于PC40(JP4A)材料,谷点大约在9095左右。我们希望磁性材料稳定的工作温度处于损耗曲线的谷点温度附近。也就是说,如能保持 PC30 电感磁心的温度为75左右,而PC4
21、0 电感磁心的温度在8090左右,或者稍低一些,那么,电感损耗将为最低,或者随温度的上升而有所下降,电子镇流器的可靠 Mobile:+86-13828816686 此文章归属于陈传虞教授所有,不得随意转载及用于营利性商业用途6 http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛 盛元半导体第三届技术研讨会演讲主题集锦整理人:雷鸣 Mobile:+86-13828816686 此文章归属于陈传虞教授所有,不得随意转载及用于营利性商业用途7性将最高。可见PC40(JP4A)材料适合在较高的温度下工作,而PC30 材料适合在较低的温度下工作。磁性材料还有其它的参数如居里温度、功率损耗密度等,一般对
22、它的理解都很清楚,不再赘述。二磁感应强度的计算公式由交流电路基础知,在有磁心线圈的均匀磁路中,如线圈的圈数为N,电感为 L,流过线圈的电流为i,则线圈两端的电压u 有:u=Ldi/dt=Nd /dt,或写作:u=L i/t=N/t,从而得L i=N ,如电流是交变的正弦波,则可按符号法分析,电流和磁通以有效值表示,则有:N=LI,(9)又知电感量 L 与圈数 N的关系为:L=ALN2代入式(9),求出磁心中的磁通为:=LI/N=N2ALI/N=NALI考虑=B Ae,由此可得,磁心中的磁感应强度B 与流过线圈的电流I 和线圈圈数N之间的关系为:B=/Ae=NALI/Ae(10)上式中,B的单位
23、为 T(特斯拉)、I的单位为安、Ae的单位为 m2、AL的单位为亨/匝2。式(10)是一个很有用的公式,根据它,可以对已绕制的电感线圈计算磁芯的磁感应强度,以判断磁芯会不会饱和,工作是否可靠。或者,根据已知的(允许的)磁感应强度B,可由式(10)求出在一定的线圈工作电流I 下,允许绕制的最大圈数N,得:N=LI/=LI/B Ae 已知电感量L 和规定的磁感应强度B,则线圈的圈数和磁芯的有效面积Ae 的乘积必须满足:N Ae=LI/B(11)国外有的公司提供的磁芯数据表中会给出磁芯尺寸和在一定线径下的NAe 值。由式(11)就可以选用合适的磁芯尺寸和线圈的线径了。在国外公司提供的应用指南中就有这
24、样的计算实例。我国的磁性材料厂家一般都不提供这样的资料,所以按式(11)来选用磁芯不太现实。三。磁芯气隙对磁感应强度的影响磁芯气隙对磁感应强度的影响是一个很重要的问题,如何选择气隙,至关重要,我们不妨通过一个具体例子来作进一步的说明。例 5 已知在一拖二36W 电子镇流器中,要求的电感量为2.1mH,根据在工作台上测试,流过此电感的电流(有效值)为0.3A,试选用磁芯,并计算磁心的有效磁导率、磁芯中的磁感应强度B,如果不加气隙,有没有饱和的问题?如果磨气隙1.6mm,情况怎样?解:首先根据经验以及电子镇流器的功率大小,我们初步选用EE25 磁芯,由厂家的数据表查出:它的有效截面积Ae为 39.
25、6mm2,电感因子 AL=1900nH,有效磁路长度为49.5mm。(1)如果不加气隙,根据其厂家提供的电感因子AL数据,要绕制2.1mH的电感,其圈数为:N=(2.1 10-3/190010-9)1/2=33 圈,(2)按式(2),未磨气隙的磁芯的有效磁导率为http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛 盛元半导体第三届技术研讨会演讲主题集锦整理人:雷鸣其磁导率为2k,说明这是R2k 或 R2.5k 材料。对于磨有气隙的磁芯不能用式(3)计算磁导率,因为磁芯不是均匀的。(3)磁感应强度 根据电感量、圈数、及流过线圈的电流,按式(10)求得:B=N ALI/Ae=35190010-90
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