说一说电感的损耗有哪些?

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demi 发布于:周一, 08/31/2020 - 10:52 ,关键词:

电感的损耗主要有以下两种:

线圈损耗:DCR,ACR

磁芯损耗:磁滞损耗,涡流损耗,剩余损耗

线圈损耗

DCR,一般认为是电感线圈的直流电阻,这个参数一般在厂家给出的电感规格书中都有。DCR这个比较容易理解,线圈的线总长越长,电阻越大,线圈越细,电阻也越大。

所以,一般来说,电感量越大,DCR越大,因为需要的线圈越长。过流能力大的电感,线圈线径越粗,所以DCR会小一些,但是体积会更大。

ACR,可称之为交流电阻。我们在实际的DCDC开关电源中,电感的电流并不是恒定的,而是周期性变化的。可以理解为可一个直流电流上面叠加一个交流电流,之所以要分开,那是因为,两种电流所感受到的电阻不同。直流电流分量感受到的电阻为DCR,交流电流分量感受到的电阻要大于DCR,我们称之为ACR,需要注意,我这里说的是交流电阻,不是阻抗,就是不包含电感的感抗。


那这个ACR是怎么来的呢?

电流在导线中,由于集肤效应,导体内部电流分布不均匀,集中在导线的表面,造成等效的导线截面积降低,进而使导线的等效电阻随频率提高。那么这个集肤效应有多明显呢?或者说这个ACR影响大吗?下面举个例子:

下图为绕线式 SMD电感NR4018T220M 的交流电阻与频率关系图。在频率为1kHz时,电阻约为 360mΩ;到了100kHz,电阻上升到 775mΩ;在10MHz时电阻值接近160Ω。在估算铜损时,其计算须考虑集肤与邻近效应造成的ACR。总损耗P为:


其中IAC为该频率下的有效值RMS电流,RAC为该频率下的交流电阻。

之所以用到累加符号,是为了更准确的表达。用到的思想是把交流电流进行傅里叶级数展开为各个频率分量,分别计算各个频率分量的功耗,累加起来就是总的交流损耗。


磁芯损耗

磁芯损耗主要由三种构成,磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗。

磁滞损耗如何理解呢?

磁芯在外磁场的作用下,材料中的一部分与外磁场方向相差不大的磁畴发生了‘弹性’转动,这就是说当外磁场去掉时,磁畴仍能恢复原来的方向;而另一部分磁畴要克服磁畴壁的摩擦发生刚性转动,即当外磁场去除时,磁畴仍保持磁化方向。因此磁化时,送到磁场的能量包含两部分:前者转为势能,即去掉外磁化电流时,磁场能量可以返回电路;而后者变为克服摩擦使磁芯发热消耗掉,这就是磁滞损耗。


上图为典型的磁滞曲线,从前面磁滞损耗的理解来看。剩磁Br越小,那么磁畴的刚性转动越少,损耗就越小。或者说磁滞损耗正比于磁滞回线包围的面积。

再来看一看涡流损耗

如下图,根据电磁感应定律,通电线圈产生磁场B,如果电流是交变的,那么产生的磁场B也是变化的。变化的磁场在磁芯上面产生电场e,并且这个电场是环形电场。因为磁芯材料的电阻率一般不是无限大的,会有一定的电阻值,那么感生出的环形电场会使磁芯中形成环形电流。电流流过电阻,就会发热,产生损耗,这就是涡流损耗。


最后看一看剩余损耗

剩余损耗的来源,是因为磁芯在磁化过程中,磁化状态并不是随磁化强度的变化立即变化到它的最终状态,而是需要一个过程,需要一定的时间,这便是引起剩余损耗的原因。

以上就是本文的主要内容,全面介绍了电感的损耗来源。不过我并没有对比各种损耗的大小。这是因为损耗跟电感的磁芯材料直接相关,而磁芯有非常多的种类,特性各不相同。即使是我们常说的铁氧体,那也是一个大类,细分有很多种,还有粉末铁芯亦是有非常多的种类。各种磁芯的特性,我也是不清楚的,估计只有厂家才能全面了解吧。

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