1前言
电感器在电力电子功率变换中起着储能和滤波 等重要作用，应用极为广泛。对于低磁导率铁心材料的环形电感，如铁粉心等，由于线圈窗口磁场均匀分布，线圈涡流损耗较低，但由于铁粉心在高频下的铁心损耗密度很大，限制了其在高频和大交流工作磁通场合的应用，如功率因数矫正电路的（PFC）电感器和谐振电感器等。对于一定感值的电感器，如果采用高磁导率材料，如功率铁氧体等，就需要开一定的气隙，由于空气气隙的集中分布，这将使得线圈窗口的磁场分布很不均匀。虽然铁氧体材料的高频损耗密度较低，但磁场分布的不均匀使得在高频下线圈涡流损耗急剧增加，同时也使磁件的温升大大增加，增加了热设计困难。因此，工作在高频而且大交流磁通下的电感器成为电力电子高频功率变换领域研究和应用的一个主要问题。要解决这个难题，一方面要积极开发适合于高频的磁心材料，如非晶、超微晶、纳米晶等磁材料，以降低铁心损耗，但目前这些材料的高频损耗特性还不尽人意；另一方面要从降低线圈高频涡流损耗入手，如通过线圈放置位置和铁心窗口形状的设计[1-3]，通过引入准分布气隙[4]，或采用高磁导率磁材料和低磁导率磁材料的铁心组合的分布气隙[5-6]，以及通过气隙的交错布置[7]等都有机会在一定程度上减小高频电感器的线圈涡流损耗。但是，这些方法都在不同程度上使得线圈和铁心的工艺变得复杂，都有它们的局限性。
本文首先对带空气气隙的高频电感器线圈涡流损耗的机制及损耗的构成进行了深入分析，在此基础上，提出了一种应用很少一部分低磁导率磁材料构成的高频电感器的新型分布磁压结构，该结构不仅能有效减小电感器的线圈涡流损耗，不增大铁心损耗，且具有结构简单，便于生产的特点。本文还将应用电磁场有限元仿真软件对这种新型分布磁压结构进行了分析与设计，证明了新型分布磁压结构可以大大减小线圈涡流损耗。该新型结构在一输出功率为300W的临界电流工作模式的功率因数矫正电路上获得成功应用。
2高频电感器线圈涡流损耗分析
要分析磁性元件的线圈涡流损耗，主要从分析线圈窗口的磁场入手。要降低线圈涡流损耗，也就要研究如何减小线圈窗口的磁场。如对于变压器，由于其储能很小，原副边电流产生的磁势互相抵消平衡，故采用原副边线圈三明治或全交错绕制技术[8]可以减小线圈窗口内的磁势和磁场，从而降低线圈涡流损耗。但是，对于一定感值的电感器，必须要有一定磁势，在开集中气隙的电感器中，线圈的激磁磁势全部降在气隙磁阻上，这就使得电感器线圈窗口内的磁场分布比变压器要复杂得多，因此难以建立电感器的线圈涡流损耗模型，广泛应用于变压器线圈涡流损耗分析的一维Dowell模型[9]已不再适用。为更好理解高频电感器线圈涡流损耗机制，以单气隙EE型铁心（气隙位于铁心中柱上）为例，用商业Ansoft Maxwell二维电磁场仿真软件分析有集中气隙电感器的磁场分布，如图1a所示。由于结构对称，图中的电感器只给出一半。从图1a可清楚看到，开集中气隙的电感器磁通可分成以下三个部分：
①穿过气隙在铁心中构成回路的主磁通；
②在气隙周围由于扩散透入线圈窗口的扩散磁通；
③穿越相邻铁心柱间线圈窗口的旁路磁通；
为便于分析说明，将上述磁通做理想化处理，如图1b所示。其中，气隙上的主磁通储存了电感器的主要能量，由于主磁通未透入线圈窗口，所以它不会在线圈上感应出涡流。扩散透入气隙周围线圈窗口的扩散磁通则在气隙附近的线圈上感应出涡流，引起线圈涡流损耗，它由加在气隙两端的磁压产生，是由于铁心与气隙交界面处磁导率发生变化引起的。穿越线圈窗口的旁路磁通也将在线圈上产生涡流损耗，但它是由相邻铁心柱间的磁压产生的。由于相邻铁心柱间的磁压随着线圈安匝数的增加而增加，且在气隙处由于气隙的磁压降而降低，故可以通过设计气隙的位置减小旁路磁通引起的损耗，文献[7]提出一种交错气隙结构的简单铁心，较有效减小了旁路磁通引起的涡流损耗。
穿越线圈窗口的旁路磁通是由有气隙铁心柱高度方向上的磁压分布不均匀引起的，而这一不均匀是由于气隙上的集中磁压引起的。气隙的扩散磁通实际上也是由气隙上的集中磁压引起的。因此降低高频电感器线圈涡流损耗的关键是研究如何使气隙上的磁压降均匀、分散化。高频电感器气隙的准分布排列（如图2a）以及采用低磁导率磁材料（如图2b）的分布排列正是变磁压集中分布为分散分布，从而均匀了线圈窗口的磁场分布，减小了线圈涡流损耗。图2a方案的线圈涡流损耗的减少程度取决于气隙分布的段数，由于工艺限制，气隙不可能分的太多。而对方案2b，由于电感器的所有磁通全部经过低磁导率的铁心中柱，虽然线圈涡流损耗降低了，但由于低磁导率磁材料损耗密度大，铁心损耗将大大增加。
3新型分布磁压结构及其原理
进一步分析图1的磁场分布，可看到，旁路磁通和扩散磁通实际上只是电感器总磁通的很小一部分。因此希望提出一种磁结构，使主磁通能量仍储存在集中气隙上，而只要将进入线圈窗口的磁通均匀分散掉。为此本文提出一种如图3所示的高频电感器新型分布磁压结构，即在开气隙的铁心柱与线圈间加入一磁体。其中铁心C为高磁导率材料，Ac为铁心C的集中气隙。辅助磁体F为低磁导率磁材料，Acf1和Acf2为磁体F上下端面距铁心线圈窗口上下表面的空气隙。在该结构下，电感器的激磁磁势N*I沿两条不同的磁路路径分布，即由铁心C与集中气隙Ac构成的主磁路以及由铁心C、铁心与辅助磁体间的气隙Acf1、Acf2 以及辅助磁体构成的辅助磁路。由于高磁导率铁心内的磁场强度H很小，故对于主磁路，电感器磁势N*I集中降在气隙Ac上，磁路中通过的为主磁通，储存了电感器的绝大部分能量。而对于辅助磁路，电感器的磁势N*I则被分散地降于气隙Acf1、Acf2以及辅助磁体上，这就大大均匀了沿铁心中柱高度方向上的磁压分布，也就减小了线圈涡流损耗。同时由于低磁导率材料构成的辅助磁路不经过主磁通且辅助磁体体积很小，故由辅助磁体增加的损耗很小。在实际应用中，辅助磁体F可以采用薄壁的管状低磁导率材料，也可以采用柔性磁膜，如Siemens公司的FPC (Ferrite Polymer Composite)以及Kaschke公司的KPF材料等。
以EE25/13/11铁心（相对磁导率μr=3000）的电感器为例，应用商业Ansoft Maxwell二维电磁场仿真软件分析新型分布磁压结构电感器线圈窗口的磁场分布。电感器的参数如图4a，其中低磁导率的磁体厚度为0.4mm，宽度为10mm，与铁心中柱的距离为0.8mm，相对磁导率μr=20。图4b为300kHz频率时，电感器内层线圈导体表面沿线圈窗口高度方向（图中的A-A线）的磁场强度H分布（电感电流幅值设为1A），而图4c则为采用磁体时沿A-A线的磁场强度H分布。可见，采用低磁导率磁材料的新型结构的线圈窗口磁场分布显然要均匀得多，大大改善了电感器线圈窗口线圈区域的磁场分布，与不采用磁体结构而有相同电感值的集中气隙电感器比较(为保证可比性，使两电感器的线圈与铁心中柱的距离相同)，二维仿真结果表明线圈涡流损耗减少了59%。
4新型分布磁压结构的参数分析
由于电感器磁势N*I在辅助磁路上是通过辅助磁体以及气隙Acf1、Acf2来形成均匀分布的，故气隙Acf1、Acf2的长度、辅助磁体的磁导率及其几何尺寸(厚度与宽度)，都会影响磁势在辅助磁路上的分布，从而影响线圈涡流损耗。此外由于低磁导率辅助磁体与铁心C距离比较近，故辅助磁路与主磁路并非两条独立的磁路，主磁路铁心的气隙扩散磁通也会影响辅助磁路的磁势分布，即铁心与辅助磁体的距离也会影响线圈涡流损耗。应用商业Ansoft Maxwell电磁场仿真软件，以EE25/13/11铁心的电感器为例，电感器参数如图４a，进行新型结构的参数分析。由于以下分析时，采用标一化的线圈涡流损耗，即以与图４a具有相同参数但不带辅助磁体时的电感器线圈涡流损耗为例，为保证可比性，应使线圈到铁心中柱的距离相同。图５为辅助磁体与铁心中柱的距离为0.8mm，磁体厚度为0.4mm时，磁体在不同的相对磁导率以及宽度下（即在不同的气隙Acf1、Acf2的长度d下）的标一化线圈涡流损耗。图５说明：磁体的磁导率对线圈涡流损耗影响很大；在不同的磁导率下线圈涡流损耗达到最小值时的气隙长度d不相同（即磁体F的宽度不同），且相应的气隙长度d随着磁体F的磁导率的增大而减小，这是由于磁体磁导率较低时，主磁路气隙的扩散磁通对磁体的磁势分布影响较大，需要加大气隙d来改善磁体F上的磁势分布。
虽然磁体在磁导率较大时，且气隙长度d越小时线圈涡流损耗越小，但是为避免磁体的饱和，必须要有一定的气隙d，此时如果磁体F的磁导率设计不当，电感器的线圈涡流损耗减小效果将大大降低。图6为图4a的电感器在频率300kHz时（气隙长度d=5mm），磁体F取不同的磁导率时的线圈涡流损耗。当磁体的相对磁导率μr=40时，新型分布磁压结构的电感器标一化线圈涡流损耗最小，为0.33，即线圈涡流损耗减小了67%，而在磁体F的相对磁导率μr=1500，线圈涡流损耗标一化值则为0.90，这说明磁体F对线圈损耗的减小影响很小。图7为图4a的电感器在磁体Ｆ相对磁导率μr=1500，线圈窗口沿A-A线的磁场强度H的分布（电流幅值为1A），这说明当磁体的磁导率很高时，由于磁体上几乎不承受磁压降，磁体的作用只是把原先铁心气隙Ac上的集中磁压降转移到气隙Acf1和Acf2上，或者说将原先气隙Ac附近的很大的线圈涡流损耗转移到气隙Acf1和Acf2附近的线圈上。因此我们不能将磁体的作用看成是对气隙Ac扩散磁通的屏蔽作用，因为如果仅理解为屏蔽作用，则磁导率应该越大屏蔽效果才会越好（或者磁体的宽度越宽越好）。这有助于我们对新型分布气隙结构的更好理解及设计。
对于图4a的电感器，综合考虑磁材料的饱和以及线圈涡流损耗，辅助磁体F设计为μr=40，厚度0.4mm，宽度15mm（即气隙长度d=1.5mm）。图8为不同频率下，采用新型分布磁压结构的电感器，由于加入磁体后，电感器的感值将增大，为保证可比性，此时电感器的铁心气隙Ac设计为0.45mm，(不带磁体时气隙为0.4mm)与参数相同但不带磁体的单气隙电感器线圈损耗比较。新型分布气隙结构的电感器100kHz时线圈涡流损耗减少了66.3%，而400kHz时则减少了71.2%。
5新型分布磁压结构电感器的应用
电感电流工作于临界或断续的BOOST PFC电路由于续流二极管的零电流关断、功率场效应管的零电流开通以及较小的电感储能要求，即可以采用小电感，在中小功率高频开关电源的PFC中应用广泛，临界电流工作模式电感器的电流波形如图9。但其一个较大的不足是电感工作电流交流分量大，高频下电感器损耗较大，从而引起高的温升，增加了热设计困难[10]。现分别采用传统的单气隙结构与新型分布磁压结构设计一临界电流工作模式的BOOST PFC的电感器。
一临界电流工作模式的BOOST PFC输出功率为300W，输出电压400V，输入交流电压范围176-265V，工作频率范围46kHz-230kHz，PFC电感的电感量为0.367mH，功率因数为0.9998。表一为PFC电感分别采用传统单气隙结构与新型分布磁压结构的实验结果，其中两种结构下电感器的功率铁氧体铁心、最大工作磁通和线圈都相同，铁心材料为南京金宁公司的JP4A，铁心规格为EC28/14，铁心最大工作磁通Bmax=0.26T，线圈采用三股线径为0.47mm的铜线，匝数为60匝。在分布磁压结构下，磁体F采用Siemens公司FPC的C351柔性磁膜材料，其相对磁导率μr=9，厚度为0.3mm，磁体宽度取为10mm。表1说明分布磁压结构有效减小了电感器的损耗和温升。
6结论
由集中气隙和高磁导率铁心构成的传统电感器结构由于磁压降分布集中，高频时线圈涡流损耗很大。引入了低磁导率磁材料构成的辅助磁路的新型分布磁压 结构使得开集中气隙电感器的磁压分布均匀化，从而均匀了线圈区域的磁场分布，显著减小了高频线圈涡流损耗。同时由于电感器的主磁通没有经过低磁导率辅助磁路，故不会引起铁心损耗的明显增加。
由于新型分布磁压结构的设计参数较多，需要对电感器的磁心饱和特性和线圈涡流损耗进行综合考虑。通过理论和有限元仿真分析，明确了这些设计参数的影响和作用以及设计中要注意的问题。
新型分布磁压结构很适用于谐振电感器以及工作于临界连续或断续的PFC电感器。二维有限元分析软件仿真和实验结果证明了新型分布磁压结构电感器可以显著减小线圈涡流损耗和降低磁件的温升。新结构已申请国家专利（专利申请号：200520098759.4）。

参考文献
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