整流滤波电感的磁芯选择及设计

1.前言
常见的滤波电感主要有：共模滤波电感、差模滤波电感和整流滤波电感。前两种电感主要用于各种线路滤波器，工作在交流条件。而后一种亦有称为平滑扼流圈的，用来滤除整流后的交流纹波，使整流后的直流部分更加平稳。由于它工作在直流条件，不得不考虑直流磁化对电感的影响。
以往的电子设备，例如使用电子管的电子设备，整流输出多为高电压小电流，当今采用晶体管和集成电路的电子设备，则多为低电压大电流。由于直流磁化力同电流大小成正比，更须注意直流磁化对电感的影响。这就要求滤波电感必须适应于大电流条件。因此，选择什么样的材料作磁芯。如何设计好滤波线圈，减少直流磁化的影响，防止磁芯饱和，不能不成为一个值得引起重视的问题。

2.关于恒磁导或恒电感特性
整流滤波电感工作在大直流电流条件，工作电流变化，引起电感值的变化越小越好。就是说要求磁芯的直流磁化影响较小，即具有某种恒磁导特性。由于直流磁化的影响，电感趋于饱和，电感量会随着工作电流增加而减小。根据大家的共识，所谓恒磁导特性，亦可称为恒电感特性，是指电感在一定的直流磁化力范围内其电感量不低于初始电感量的一半。掌握了这个特性，我们可以通过挑选不同的磁芯，不同的规格，以达到不同的百分比的要求。

3.磁芯材料的选择
制作滤波电感，选用何种磁芯材料，除了必须注意防止磁芯饱和问题外，还必须考虑到磁芯的恒磁导特性。需要指出，有些设计人员往往只注意电感量的指标以致选择磁导率高的材料，以减少线圈的匝数。对于电感达到额定较大电流时，电感量是否减少，减少到什么程度，会不会达到饱和，考虑较小。这是应该注意避免的。


表一列出一些磁芯材料的恒磁导特性的比较，供选择时参考。表中所说的恒磁导范围，是指在这个直流磁化力范围内，磁导率不会低于50％。减少直流磁化力相应提高磁导率的百分比。表二为磁导率75的铁粉芯，在不同直流磁化力时的磁导率的百分数。

4.有关的磁学公式和知识
为了更好地进行电感设计，满足恒磁导要求，需要熟练掌握一些磁学公式，并了解一些必要的磁学知识。
上面提到的直流磁化力可以通(1)进行计算：
H=0.4πNI/l Oe (1)
或H=NI/l A/cm (1’)
这里N为线圈匝数：I为电流，单位为安培（A)；l为磁芯的平均磁路长度，单位为厘米（cm)。
将上述公式进行一下变换，则有：
H/NI=0.4π/l 或H/NI=I/l
对于一个环形磁芯（滤波电感不少是采用环形磁芯的）。
由于l=［（D+d)/2］×π cm，其中D为外径，d为内径，单位厘米（cm)。
因此，H/NI又可由以下方法求得。即
H/NI=0.8/(D+d)或H/NI=l/(D+d)0.5π
对于任何一个规格的环形磁芯，都可得到一个H/NI值，将此值乘以安匝数，就是直流磁化力。即：
H=(H/NI)×NI Oe或A/cm
由此可以看出，H/NI同l或D+d成反比。尺寸大的磁芯H/NI值就小，当安匝数一定时，选用大尺寸的磁芯，H值就小，恒磁导特性就好。亦可以说，在H值确定的条件下，大尺寸的磁芯就有较大的安匝数。
以下再列出几个公式，不作任何解释
L=N2AL(nH/N2 )nH (2)
N=［L(nH)/Al(nH/N2)］1/2T
(3)
AL=L(nH)/N2 nH/N2 (4)
W(能量）=1/2lI2J或WS(瓦秒） （5）
此公式L单位为H，I单位为A。
当L单位为μH时，则W为μJ，或μWS将公式（2）代入（6），又可得一关系为：

此式中，如AL取nH/N2值，则为nJ。为使得出的结果为μJ，则公式可变成：


5.设计方法与步骤

熟悉了上述公式，尚需有磁芯生产单位提供的直流迭加特性曲线，就可以进行设计了。图1美国微金属公司提供的曲线，供设计参考，实际操作时，亦可根据表二提供的数据进行设计计算。
由于铁粉芯具有饱和磁通密度高，恒磁导特性好，价格便宜，应用广泛。因此，本文的设计方法与步骤，均以铁粉芯为准。其它材料只要改变特性参数，其它无多大差别。
设计依据:电感量为100μH，额定电流为3A，在额定电流时，电感值不得小于75μH。即要求恒磁导特性为75％。
介绍三种方法：

方法一：利用恒磁导特性曲线及系列产品特性表（表三）进行设计。
第一步：查图1或表二，可知75％μo时，H为25Oe。
第二步：由表三中的磁芯的H/NI值，计算出安匝数，即：
H=H/NI×NI 变换为
NI=H/H/NI
试选T9026，该磁芯的H/NI值为0.2168。
NI=25/0.2168=1153，取115再由安匝数求匝数
N=NI/I=115/3=38.3，取38
计算电感量，该磁芯的AL值为

由于，此电感量接近所需值，故即可以38为所需匝数。如果，相差较多，则要进行第三步，计算实际匝数。
第三步：由公式（3）计算匝数。
第四步：计算直流磁化力。
NI=N×I=38×3=114
H=H/NI×NI=0.2168×114=24.7 Oe
第五步：核对％μo，由图1或表二可知24.7Oe，%μo>75％，符合要求。
方法二：由储能系推算。
第一步：计算储能系数，按公式（6）：

第二步:由W推算出安匝数。变换公式（6’）可得：

试选T9026，该磁芯的AL值为70。
，取113。
由安匝数计算N。
N=NI/I=113/3=37.7，取38。
计算电感量，

以下步骤同方法一，不再列出。
上述两种方法，都要进行试选。如果试选不行，视情况找大或小一种的规格试选，直到满足要求为止。
方法三：利用生产单位提供的两种曲线，查出所需磁芯。
设计依据：电感量为100μH，额定电流为4A，在额定电流时，电感量不低于75μH。
第一步：计算储能系数。这里计算时，要求电感量采用额定电流时值即75μH。


第二步：图2，600μJ与75％相交处为T106。

再查图3，600μJ与T106相交之点安匝数约为130。
计算安匝数及电感量。
N=NI/I=130/4=32.5，取33

此电感量为非额定电流时的值。
以后步骤同前。本篇文后列出四种常用规格的铁粉芯在几种％μo条件下，不同电流时最大电感量。在设计时，通对查对表格，即可确定选用何种磁芯（铁粉芯的规格）。
综合上述四种表格，又列出一个表格，指出不同额定电流，不同％μo时，不大于某个电感量时，可以选用的磁芯规格。
最后，需要指出的是，方法一、二计算出来的安匝数，有时会很大，实际上可能绕不下。因此，还要根据下列公式验算一下。

NI=KWaJ (7)
式中K为窗口利用系数，取0.4。
Wa为磁芯窗口面积，单位为。
J为电流密度，单位为A/。一般可取2-4A/。电流密度大了，可绕较多匝数，但铜耗增大，线圈温升高。
表三后部列有不同电流密度时磁芯可绕安匝数作为参考。
续表四

表五 不同额定电流所需电感量选用何种芯 2A/