高频电感

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。

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。