摘要：  采用金属薄膜绕组技术，可以减小大的浪涌电流和高的功率电平状况下电感器的损耗，以及免去一些加工程序。使用利兹线(Litz wire)进行绕组的最优化设计，为在高频状态下降低绕组损耗给工程师们提供了新的设计工具。

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1 引言
电力电子技术已被迅速地扩大到了新的应用领域，例如使得大功率半导体器件增大了它们的额定电流和使其工作频率越来越高。在实际工作中，电感器类似于整个电力电子设备上的一个积木式元件，具有独特的改进潜力。这是因为电感器件在电力电子设备中通常是尺寸最大的、花钱最多的，而且在供电系统中就其体积而言是与其它各种元器件都不相称的。
改进电感器设计可以在电感器的尺寸和成本方面收获很好的效果，并对电力电子系统其余部分的设计产生重要的影响。为减少在高频工作状况下电力电子系统的损耗，以压缩功率电感器尺寸来降低电感器到指定的量值，为此，小型电感器将可使用在电力电子系统中。
为了降低在高频工作时电感器的功率损耗，设计师必须熟悉绕组在损耗中扮演的角色，以及能够对降低这种损耗进行适合要求的选择。这些选择包括可以获得电感器工作在大的纹波电流与大功率电平时降低损耗所使用的金属箔绕组工艺。设计师们发现了采用Litz线进行最佳的电感器设计，这也就是一种用作辅助设计过程的新工具。这种工具允许使用最优化的导线股数和在合适的骨架窗口内部布置绕组位置，以免去一些成型加工工艺过程。
2 了解绕组损耗机理
电感器的损耗存在两个原则性机理：磁芯损耗和绕组损耗。磁芯损耗涉及磁芯用材料的磁性能，它们表现为由于磁滞效应和涡电流形成的磁芯本身的功率损耗。绕组损耗源于绕组的电阻值大小，铜的电阻值具有代表性。
作为开关型电源应用的电感器很容易遭受高频纹波电流的影响，高的频率可以使有效绕组产生大的电阻值，因此，我们可以联想到绕组会产生很大的铜损耗。开关电源电感器的绕组电阻值由包括直流(DC)电阻值和集肤效应与邻近效应引起的交流(AC)电阻值等两部分组成。
与时间变化相关的电流将感应产生磁通量，这种磁通在绕组的每一匝内部感应生成很小的电流，因为这些很小的电流都流经绕组中心，这样，磁心的有效横截面积即被减小了，而电阻值增加了。这些损耗的量值是随着频率和电流的增加而增加的。
在开关模式频率时，电阻值的交流(ac)部分可以是很大的，经常大大地超过直流(dc)电阻值，同时因此引起很高的铜损。如果电感器磁芯是开气隙的，则靠近气隙的磁场将产生一个局部地很强的邻近效应，它可以产生很大的交流(ac)铜损电阻及损耗，甚至会导致电感器的失效。
在任何磁性器件中的功率损耗都是这些效应所产生损耗的总和，为此，磁性器件的设计则因为这些效应间的相互影响关系而变得更为困难。例如，一些减小交流损耗的共性方法，诸如采用Litz线，可以大大地减小导体的横截面积，但同时急剧地增大了直流(dc)电阻值。铜箔绕组电感器常常被用来将大直流电流应用场合的绕组损耗减到最小，这是因为人们有效地利用了绕组窗口。然而，甚至很少量的交流电流都可以在这些铜箔圈中引起很大的损耗。
如今，许多场合应用的电感器，其损耗程度是人们难以接受的。故在存在交流纹波电流的情况下，许多dc-dc变换器要求所用的电感器可以负荷大的直流电流。即使交流电流部分与直流电流比较是很小的时候，交流电阻值也可以大于直流电阻值几个数量级。在现代的产品设计中，随着器件电流电平和工作频率的提高，这些问题将会更加敏锐。幸运的是，交流铜损的问题已具有解决办法。在绕组基本上保持单层时，即可缓解交流铜损。采用不存在气隙的磁粉芯将可以从根本上减小邻近效应及其引起的交流铜损。
但是，典型的磁粉芯的损耗大大地高于铁氧体磁芯的损耗，而作为大纹波电流应用场合，由于开有气隙的磁芯可以降低损耗，故有时会被优先选用。或者说，采用磁导率相对较高且具有气隙的磁粉芯也是合乎人们需要的。这种类型的磁芯具有相对较高的饱和磁感应强度BSAT等优点。在使用有气隙磁芯的情况下，必定要涉及气隙边缘的磁场影响问题，或者说这里的铜损可能是很高的。
3 铜箔绕组成形技术
因为铜箔绕组可利用的窗口大且产生的直流电阻值很小，故铜箔绕组常被强制选用。参考文献1介绍了开发的直流铜损和交流铜损都很小的铜箔绕组成形技术。以这种新技术成形的铜箔绕组在气隙附近使用气隙边缘的磁通平衡全过程的电流分配，并将集肤效应和邻近效应降到最小。
使用成形铜箔绕组技术制作的电感器如同利兹线绕组一样具有很小的交流电阻值，兼有铜箔绕组同样小的直流电阻值。实际上，成形铜箔绕组技术用于大电流、大纹波电感器中，可以使绕组的损耗减到最小。
一个实验将新的成形铜箔绕组技术与包括固态线、利兹线和净铜箔绕组在内的常规绕组进行了比较。用这种实验，构建了90μH、40A的系列电感器，并用最实际的方法进行了测试。每一个电感器样品都是用铁氧体EPCOS N67材料制作的相同型号E70/33/32磁心，在这种磁心的中心柱上开有2.63mm的气隙（被称为B66371-G-X167）。所有的电感器都是绕15匝，生成90μH到95μH的电感量。
这种绕组被示于图1。在各种情况下，都要使用最佳性能的绕组进行实验，包括采用利兹线和实线试样的单层绕组，同时在每一种情况下，都要使电感器绕组的窗口面积达到最大值。
在绕组用并联方法相连接的情况下，实心线绕组样品由10#规格的导线绕制4层，每层15匝组成。用两种利兹线制作的样品中，一种是采用500股的40#线规的利兹线，另一种则是使用80股的32#线规利兹线，它们如同实心线绕组样品一样，这种电感器是在平行层上各绕15匝。
标准铜箔绕组电感器由0.020吋厚度、1.55吋宽度的铜箔绕15匝和用0.003吋×1.69吋的Nomex绝缘体相隔离而组成。两种电感器样品都采用新型的成型铜箔技术制作。在50kHz频率，存在15%浪涌电流（6安培峰-峰电流）时，其中一种使用铜箔成型技术的电感器最适合用于40Adc，而另一种电感器样品最适合用于50kHz、22.5%浪涌电流时。
每一种这类电感器的总磁心损耗和绕组损耗都可以用实验方法确定，其结论如图2所绘制的曲线表示。图中阴影线的面积以图示说明了使用新的铜箔绕组技术所观测到的损耗下降值与传统线绕电感器损耗的关系，但其磁心产生的损耗与所有其它电感器的磁心损耗是相同的，故这种电感器所减少的损耗纯粹是由绕组贡献的。
这些样品电感器的实验性数据是在1%到30%浪涌电流值和10kHz到500kHz频率范围内收集得到的。这些数据证明了在浪涌电流值超过10%和频率从25kHz到500kHz范围内，成形铜箔技术是将绕组损耗降到最小的解决办法。
4 利兹线(Litz-wire)绕组
由Thayer School of Engineering and West Coast Magnetics进行的另外一些工作，促进了开气隙功率电感器绕组采用利兹线的进展。围绕在功率电感器气隙周围的电磁场是相当强的，并且在接近气隙的绕组中引起局部功率损耗。
由于给出了磁心和线圈骨架的几何尺寸，这表示利兹线股数和线圈骨架位置将可得出最佳解决方案，即以选择利兹线的股数和线圈骨架窗口内部绕组的位置，将绕组损耗减到最小是可能的。一种被称为Shapeopt的自由加工仿真程序，可以得到最适合的利兹线股数和有效的线圈骨架窗口内部绕组的位置。根据设计师在www.thayer.dartmouth.edu/inductor/shapeopt中的使用情况，该程序是有效的。使用该程序是简单的，而其输入数据包括：
·磁心窗口宽度和高度
·线圈骨架窗口宽度和高度
·浪涌电流幅值和频率
·气隙长度
·线圈骨架填满系数
·每股利兹线直径
·匝长
·匝数
根据输入的这些信息，本设计将造就一个与线圈骨架窗口中的理想位置一样的，在线圈骨架窗口中被详细地叙述的输出磁场强度。设计也将确定总的绕组损耗，并选择必需能够填满有效窗口面积的利兹线股数。
现举例说明。被探讨的是一个工作在250kHz，存在4A均方根值浪涌电流的10.6μH电感器。这种电感器采用存在0.65mm气隙的E19/8/5磁心和13匝的线圈。选择的绞股利兹线的直径为0.05mm（44#美国线规）。选形试验产生了一个314总股数和总的绕组损耗为0.28W的最佳结果。
图3详细描述了线圈骨架窗口内绕组可安置的部位（图中阴影部分）和空白的地方（图中空白部分）。
在实践中这种线圈骨架可以用纸带掩盖住一个矩形截面快速地准备，其结果与图3所示十分接近。所准备的这种型式纸带与广泛地适用于维修漏电流用的空白纸带非常相似，并且其间隔大小能满足变压器的绝缘要求。
根据仿真试验，我们可以看到，没有能够最有效地将导线完全地填满线圈骨架。事实上，在导线接近于填满线圈骨架的情况下，将可能导致绕组更大的损耗。而且，随着频率的提高，这个问题甚至变得更为突出。
根据损耗是频率的函数，图4列举了单个电感器减小损耗的最佳答案。随着功率电感器工作频率的增加，磁心窗口内部的绕组定位对获得其最小损耗的解决方案具有决定意义。
由Thayer研究所利用Shapeopt程序研究的其它课题是磁心绕组窗口的高度对磁心绕组宽度的最佳比率。获得这个最佳比率包括为总的绕组损耗求解，同时保持两个不变的因子（绕组窗口周长和利兹线股数），以及改变窗口高度与窗口宽度的比率。完成这些工作后，一些为人们感兴趣的结论就得到了。
在1kHz到10kHz范围的低频情况下，窗口宽度与高度的最佳比率是1左右。在频率增加到500kHz的时候，窗口宽度对高度的最佳比率则增加到2左右。
若干种典型的几何形状为E型的磁心之高度对宽度比率的比较结果见图5所示，由于功率电感器采用开气隙的磁心设计，在如今的市场上还没有做出最佳的磁心形状时，现有的大多数形状的磁心和线圈骨架将都可使用。
参考文献
[1] The shaped-foil technology is patented by Dartmouth College， and West Coast Magnetics is a licensee.
[2] This experiment was designed by West Coast Magnetics and electrical engineer Jennifer Pollock， Ph.D.， of Dartmouth's Thayer School of Engineering. Professor Charles Sullivan of the Thayer School of Engineering and Ryan Goldhahn， a Duke University Ph.D. candidate， also were involved with the experiment.
(编译自WWW.powerelectronics.com Jul 1， 2008.)