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开关电流滤波电感器的设计2006-04-06开关电源中的电感器（高频输出滤波）一般工作在连续状态下，本文就设计过程中的经验与体会总结出来，以形成比较标准的设计步骤，为以后的设计计算提供有利的设计平台。
本文重点在于标准化高频滤波电感器的制作设计步骤，对于电感量如何计算得来，请参阅相关的文献，这里不做讨论；对于工作在非连续状态下的电感器（如大功率电路中的Boost 升压电感器）也不在这里不做讨论，具体的情况参阅后续的总结性材料。
Step 1：根据电路拓扑结构确定电路参数电感量L ，满载直流电感电流FL I ，（最坏情况下的）最大纹波电流pp I D ，最大峰值短路限制电流SP I ，最大允许损耗(max)A P 和最高温升max T D 。
Buck 类最大纹波出现在最高i U 情况下，而Boost 类是在最低i U 时。
Buck 类满载电感电流等于负载电流。
Step 2:根据工作频率和使用场合选择磁芯材料参阅附录A 。
Step 3：决定磁芯工作的最大磁通密度和最大磁通摆幅（受饱和或损耗限制）如果电感工作在电流连续模式，在电流最大峰值短路电流SP I 时，磁芯最大磁感应max B 不应当超过BS (一般功率铁氧体在100℃时为0.3T （3000Gs ）)。
因为磁芯有气隙，气隙对磁芯B －H 曲线有明显的影响，在饱和之前基本上是线性的。
如果磁芯受饱和限制，最大磁通摆幅max B D 由下式计算： SP pp I I B B D =D max max (1)将得到的max B D 值除以2，将峰峰制值（max B D ）变换成峰值（/2max B D ），到损耗曲线图（图1）“磁通密度”（实际峰值磁通密度）坐标，垂直向上交到纹波频率曲线，水平引向到纵坐标，求得磁芯的比损耗L P 。
如果比损耗大大小于3/100cm mW ，磁芯肯定受饱和限制，则计算的max B D 无效；但如果磁芯损耗远大于3/100cm mW 时,磁芯受损耗限制，必须减少max B D 值，以使得损耗在允许范围之内（Step 5）。
开关电源中电感气隙的设计与研究摘要：开关电源中的电感器扮演着电压平滑和电流波形整形的重要角色。
为了提高电感器的效率和性能，电感气隙的设计非常重要。
本文将探讨电感气隙的设计与研究，并分析其对开关电源的影响。
1.引言开关电源是一种将输入直流电转换为输出脉冲电流的电子设备。
在开关电源中，电感器起着平滑输出电压和滤波电流的作用。
为了提高电感器的效率和性能，需要进行精确而合理的设计。
2.电感气隙的原理电感气隙是指在电感器的铁芯上设置的一段空隙。
电感器通过改变气隙的大小可以改变其感应能力和电感值。
当电感气隙变大时，电感器的电感值和感应能力会降低，而当电感气隙变小时，电感值和感应能力会增加。
因此，通过设计和调整电感气隙的大小，可以控制电感器的性能和工作特性。
3.电感气隙的设计要点（1）气隙长度：气隙长度是电感气隙设计中的重要参数。
气隙长度的选择应根据具体应用需求以及电感器的工作电流和电源电压来确定。
一般来说，气隙长度应尽量小，以避免磁通漏磁引起的能量损耗和磁滞损耗。
（2）气隙形状：气隙的形状也会对电感器的性能产生影响。
一般常见的气隙形状包括直线型、等效长方形型和圆环型。
不同形状的气隙会对电感器的感应能力和频率响应曲线产生不同的影响。
因此，在设计中应根据具体应用需求和设计要求选择合适的气隙形状。
（3）气隙材料：气隙材料的选择也非常重要。
一般来说，气隙材料应具有较高的导磁性和绝缘性能，以提高电感器的效率和可靠性。
常见的气隙材料包括Ni-Zn磁粉、铁氧体和纪录材料等。
4.电感气隙的研究方法（1）实验研究：通过实验手段来研究电感气隙的影响。
可以通过改变气隙的长度和形状，测量电感器的电感值和感应能力，进而分析气隙对电感器性能的影响。
（2）仿真模拟：通过使用电磁学仿真软件，建立电感器的数学模型，模拟电感气隙在不同工作条件下的磁场分布和电感特性。
通过仿真模拟，可以更加直观地分析电感气隙的影响，并进行优化设计。
5.电感气隙的应用案例以开关电源中的输出电感器为例，通过设计合适的气隙，可以提高电感器的效率和性能。
D设计分祈e s g n a n d a n a l s iM轉者机i第6期基于有限元分析的开关磁阻电动机气隙研究李建亮，张文志，李杰妮，陈福民(内蒙古工业大学，呼和浩特010051)摘要:分别用有限元法和实验测量方法对一台三相24/16极结构的开关磁阻电动机进行了静态特性分析，结果表明2种方法下样机的电感特性、磁链特性基本相符，验证了开关磁阻电动机有限元模型及计算方法的可靠 性和准确性。
在该模型基础上，采用有限元法进一步对样机定转子气隙，对其矩角特性的影响做了模拟分析，总结了样机静态转矩与气隙大小的关系，探讨了在不同电流和不同定转子材料下，最大静转矩对气隙的敏感程度，为开关磁阻电动机的结构参数优化和生产工艺开发提供了参考。
关键词：开关磁阻电动机;气隙;敏感程度;有限元分析中图分类号:TM352 文献标志码:A文章编号:1004-7018( 2018) 06-0020-03Research of Switched Reluctance Motor Air-Gap Based on the Finite Element AnalysisLI Jian-liang，ZHANG Wen-zhi，LI Jie-ni，CHEN Fu-min(Inner Mongolia University of Technology，Hohhor010051，China)Abstract:The static characteristics of a three-phase 24/16-p o le switched reluctance motor were analyzed by the methods of finite element analysis ( FEA) and the experimental measurement. The results showed that the inductance characteristics and the magnetic chain characteristics of the prototype were basically consistent with the two methods. The reliability and accuracy of the finite element model and the calculation method of switched reluctance motor were verified. In this model，the method of FEA was used to simulate the influence of the air-gap on the moment angle characteristic of the prototype. The relation between static torque and air gap size was summarized. It provided a reference for the structural parameter optimization and production process development of switched reluctance motor.Key words:switched reluctance motor; air-gap; sensitivity; FEA0引言李建等基于有限元分析的开关磁阻电动机隙研究开关磁阻电动机（switched reluctance motor,以下简称SRM)具有结构坚固，起动转矩大、效率高等优势，特别适合应用于航空航天、家用电器、电动汽车、纺织设备等行业。
开关电源中的EMI 滤波电感设计普高（杭州）科技开发有限公司 张兴柱 博士开关电源中的功率变换器工作于高频开关方式，其输入线上的电流含有高频分量，这些高频分量对接在同一供电处的其它电子设备会产生干扰，严重时可能导致其它电子设备的正常工作，为此国际上专门制订了相关的EMI 标准，来限制各种电子设备对外产生的辐射与传导噪声。
其中最常用的传导EMI 标准有CISPR22、VDE 和FCC ，通过测试电子设备的传导EMI 来判断其是否满足相应的EMI 标准。
图1是测试开关电源传导EMI 的线路图，其中供电电源既可以是直流，也可以是交流，图中为交流。
LISN 为测试EMI 的阻抗匹配网络，uH L L 5021==，uF C C 1.021==，Ω==5021R R ，这个网络对于输入的低频分量，其1L 、2L 可看作短路，1C 、2C 可看作开路，所以不影响输入到输出的功率传递；对于蓝色框内开关电源所产生的高频分量，其1L 、2L 可看作开路，1C 、2C 可看作短路，因此开关电源输入线（线1和线2）上的高频电流分量将完全流过1R 、2R ，再将1R 、2R 上的电流信号用频谱分析仪进行测试，就可获得每一根输入线上的电流信号频谱，这些电流信号频率也被叫作传导EMI 噪声频谱，1R 、2R 就是测试传导EMI 的等效负载。
利用传导EMI 的的测试线路，可以将不加EMI 滤波器时的开关电源，所产生的噪声用图2(a)的电路等效，如果再将不加EMI 滤波器的开关电源在高频段用一个噪声电压源和三个噪声阻抗表示的话，则图2(a)的电路可以进一步用图2(b)来等效。
由图2(b)可知，产生传导EMIii (a) (b) 图2： 不加EMI 滤波器的开关电源之EMI 等效电路的根源有三个，一个是EMI 源N v ，一个是EMI 途径1Z 、2Z 和c Z ，再一个就是EMI 的负载1R 和2R 。
等效电路中的EMI 负载是固定的50欧电阻，而变化的是EMI 源及EMI 途径。
气隙位置对电感参数的影响及改进除了用铁粉芯作磁芯的电感外，一般电感（Flyback变压器为耦合电感）。
气隙的位置对电感参数有较大影响，下面基于有限元计算对此问题进行分析并给出一种新结构之磁芯。
为方便起见，从一EE型的Flyback变压器开始分析，其内部磁场分为如下几个部分：主磁通，旁路磁通及扩散磁通电感器的损耗由旁路磁通及扩散磁通引起。
由于主磁通与线圈平面平行（假定线圈为铜箔且没有端部效应），它不会引入电流密度J的变化，从而不影响线圈内电流的分布，此时线圈内电流由线圈自己决定。
但旁路磁通与扩散磁通深入线圈，使铁芯窗口内的磁场分布不再均匀，从而引起电流的重新分布，使电流集中在某一处。
如果，我们以气隙至磁轭的距离与磁芯中柱高度之比（hg/h）为变量，可得出气隙在不同位置时电感器损耗变化图如下：由此图可知，气隙在中间时损耗最小，在两端时损耗最大，差别可达100%。
这也就是我们通常EE Core 用得比EI Core多的一个原因吧！有没有办法将气隙优化且工艺方便？答案是肯定的：在以上影响电感损耗的两部分磁通中，扩散磁通与气隙形状有关，与位置关系不大，当然当它在两端时由于磁路长度发生一定变化，还是有所变化的。
为简化问题，此部分以后再作详细讨论。
那么，就只有旁路磁通的影响了。
通过下面的分析，可以得出，旁路磁通的大小是与磁芯高度方向上的平均磁压降密切相关的。
当气隙处于中间与两端时，磁压分布如下图所示：图a中的平均磁压降为IN/2，b为IN/4。
假定旁路磁通与底边平行，又由于B=dU*u0/w，可知，a中的磁密必定大于b中的磁密，磁场方向与线圈垂直。
下面是损耗与平均磁压降的关系：可得出磁压降越低，损耗越低的结论。
由此，如果我们可以将磁压降降得更低，就可得到损耗更低的电感！由于它将气隙交错布置，使磁压降在高度方向上出现二次转折，仅为IN/8。
它的损耗比起气隙居中者可再下降约50%。
文中指的损耗不包含磁芯损耗！。
开关电源与电容电感设计1. 引言开关电源是一种将电能从一个电路传递到另一个电路的电源，通过开关器件的开关操作，将输入电源的直流电压转换成输出电源的电压。
开关电源具有高效率、体积小、重量轻等优点，因此在许多电子设备中得到了广泛应用。
而电容和电感则是开关电源设计中不可或缺的元件，它们在滤波、稳压等方面发挥着重要作用。
本文将介绍开关电源和电容电感的基本原理、设计要点以及常见问题的解决方法。
2. 开关电源设计要点开关电源的设计要点包括输入滤波、开关器件、变压器、输出滤波和保护电路等。
2.1 输入滤波输入滤波电路主要用于抑制电源输入端的高频噪声和干扰。
常见的输入滤波电路包括：•电源滤波器：通过电感和电容组成的滤波器，可以滤除高频干扰。
•输入电容：在输入端添加合适的电容，可以降低功率因数，改善电流波形。
2.2 开关器件开关器件是开关电源中最重要的部分，它决定了开关电源的性能和效率。
常见的开关器件包括MOSFET、IGBT和二极管。
在选择开关器件时，需要考虑输入和输出电压、负载电流和开关器件的功率损耗等因素。
2.3 变压器变压器是开关电源中的关键组件之一，它用于将输入电压变换成输出所需要的电压。
在设计变压器时，需要考虑输入输出电压比、功率损耗和电流波形等因素。
2.4 输出滤波输出滤波电路主要用于消除开关电源输出端的高频噪声和纹波。
常见的输出滤波电路包括：•电感滤波器：通过电感和电容组成的滤波器，可以滤除高频噪声。
•输出电容：在输出端添加合适的电容，可以降低输出纹波，提高稳定性。
2.5 保护电路保护电路用于保护开关电源免受过电流、过压、过温等因素的损害。
常见的保护电路包括过流保护、过压保护和过温保护等。
3. 电容电感设计要点电容和电感是开关电源设计中常用的元件，它们在滤波、稳压和耦合等方面发挥着重要作用。
3.1 电容设计电容的主要作用是储存电荷，并在需要时释放。
在电容设计中，需要考虑以下要点：•电容值：根据电路的需求和频率响应来选择合适的电容值。
电子发烧友 电子技术论坛开关电源中电感气隙的设计与研究旷建军阮新波任小永南京航空航天大学航空电源重点实验室(南京210016)摘要：在开关电源中使用的电感，除了利用低导磁材料作为均匀分布气隙以外，用高导磁材料作磁芯的电感都必须拥有气隙。
由于在气隙附近存在扩散磁通，使绕组产生额外的损耗，所以电感绕组的损耗不同于变压器绕组。
本文针对开关电源中利用铁氧体作磁芯的气隙电感，基于前人的研究成果上，通过有限元分析软件，详细地分析了气隙设计对电感绕组损耗的影响。
总结了减少绕组损耗的气隙布置方法和采用分布气隙应该遵守的准则。
叙词：电感气隙分布气隙气隙布置绕组损耗Abstract：Inductors are commonly used in the switching supply. Besides the use of low-permeability magnetic material to form a uniformly distributed gap, inductors with high permeability cores have to need air gap. There is fringing flux near the air gap, which result in the additional losses in the winding. This makes winding losses of inductor different from transformers. Based on previous research output, winding losses of inductors with high permeability ferrite core are analyzed in detail by using the Finite Element Analysis (FEA). General design guidelines for decreasing winding losses of inductors are given for lumped gap and quasi-distributed gap.Key words：Inductor Air gap Distributed gap Air-gap arrangement Winding losses1引言电感是开关电源中重要的元件之一，其合理设计有利于提高电源效率和可靠性。
为防止电感饱和，需要在磁芯中加入气隙。
铁粉芯的气隙均匀分布在磁芯中。
如果采用高导磁材料来绕制电感，传统的做法是采用集中气隙。
为了减少由气隙附近的扩散磁通引起的绕组损耗，绕组布置需避开气隙3个左右的气隙长度。
然而对于较大的气隙，那样做将使磁芯窗口的利用率大大降低，此时可应用多个小气隙来构成分布气隙。
文献[1]提出利用交错气隙以减少旁路磁通，从而减少绕组损耗。
前人的研究成果对电感设计具有指导意义，但对某些方面没有进行详细研究，特别是多气隙中各小气隙之间磁柱的长度对扩散磁通的影响，气隙布置在磁芯拐角附近对扩散磁通的影响，以及分布气隙的个数如何选择等。
近年来，电磁场有限元分析软件得到广泛的应用，分析结果的正确性得到了大量的证实[2]。
本文在前人研究的基础上，利用电磁场有限元软件对上述问题进行详细的研究。
2 气隙在磁芯柱上不同位置对绕组损耗的影响根据文献[1]的分析，在电感中的磁通可分成以下三个部分（如图1所示）：(1)在磁芯中构成回路的主磁通,(2)气隙附近进入磁芯窗口的扩散磁通,(3)穿越磁柱之间窗口内的旁路磁通。
由于主磁通未深入磁芯窗口内，故它不会在绕组上感应出涡流。
扩散磁通则会在气隙附近的绕组上感应出涡流。
旁路磁通穿越磁柱间的磁芯窗口，将在绕组上感应出涡流。
气隙在磁芯柱上的不同位置对磁芯窗口内的扩散磁通和旁路磁通都可能产生影响。
对绕组由漆包线构成的电感，气隙在磁芯柱上不同位置对磁芯窗口内旁路磁通的影响在文献[1]中已有详细分析。
本节主要分析对扩散磁通的影响，并分析气隙在磁芯柱上的位置对铜箔与漆包线绕制的电感所产生的不同影响。
(a) 漆包线绕组(b)铜箔绕组图1电感中的磁通分布(对称半副磁芯)对于高频电感，相对气隙设在磁芯中部，如气隙设在磁芯拐角处，会使此处的扩散磁通更容易深入到磁芯窗口内(如图2(a)，2(b)所示)，这是因为磁通的分布，与所通过路径的磁阻分布有关。
相对气隙设在磁芯中部，气隙设在拐角处，扩散磁通经过路径的磁阻要比气隙设在磁芯窗口中部要小。
这样就会容易导致绕组损耗的增加。
另外如气隙靠近磁芯的上端面，在窗口内，有一部分磁通会绕过磁柱上的短端，直接在磁芯上端面和磁柱的长端之间形成一个磁通路(如图2(c)所示)，从而使窗口内的扩散磁通增加。
在图3所示的电感结构中，如此时绕组靠近气隙，将导致绕组损耗刚开始时，随气隙在磁芯柱上的位置b的增加而增加。
当b增加到对应使扩散磁通最多时，绕组损耗增加到最大值。
此后随b的增加，由扩散磁通引起的绕组损耗将随b的增加而减少。
最后当b增加到较大时，由于气隙距磁芯上端面较远，磁芯上端面对气隙附近的扩散磁通已不能产生影响。
这时随b的增加，由扩散磁通引起的绕组损耗基本不变。
为了使绕组损耗刚开始时不随b的增加而增大，可加大绕组与气隙间的距离，以减少气隙附近扩散磁通对绕组损耗的影响。
(a)(b) (c)图2 不同气隙结构处的扩散磁通(a) 铜箔绕组电感(b)漆包线绕组电感图3电感结构图在图3所示的2种电感结构中，用铜箔绕制的绕组损耗随气隙位置b的变化趋势与漆包线绕组是不同的。
这是因为两者之间在窗口内的磁通分布不同引起的。
用漆包线绕制的电感，旁路磁通的分布如图1(a)所示[1]。
而用铜箔绕制的电感，由于铜层对磁场的屏蔽作用，旁路磁通的分布如图1(b)所示。
磁通在窗口内的方向是在磁芯上下端面之间。
在这种情况下，改变气隙在磁芯柱上的位置，将对旁路磁通不会产生什么影响。
所以当距离b较大时，随着b的进一步增加铜层绕组损耗将基本不变。
而当距离b较小时，b的改变对绕组的损耗是有影响的，根据前面的分析，此时是气隙位置对扩散磁通的影响而造成的。
而用漆包线绕制的绕组，改变气隙在磁柱上的位置而能影响旁路磁通，从而影响绕组损耗，详细情况可参考文献[1]。
表1铜箔电感结构(单位:mm)A B C D E δ方案1 0.7 5.2 2 3.1 4 0.2方案2 0.7 5.2 2 2.7 4 0.2方案3 0.7 5.2 2 2.3 4 0.2对本节前面的气隙位置对电感绕组损耗的分析进行了有限元验证。
电感结构如图3所示，两种电感结构都选用南京新康达公司的EE16A磁芯。
图3(a)为0.1mm铜箔绕制的电感，根据参数D 的不同有三种方案，具体参数见图3(a)和表1。
当电感绕组中通过幅值为1A ，频率为300kHz 的正弦电流时，用Ansoft Maxwell 2D 电磁场有限元软件得到三种方案单位长度的绕组损耗随气隙在磁芯柱上位置的变化趋势如图4(a)所示。
根据前面的分析，气隙位置b 刚开始增加时，窗口内扩散磁通增加。
此时方案1绕组距气隙较近，导致绕组损耗随距离b 的增加而增加。
当b 大于约3个气隙距时，随b 的增加，磁芯窗口内的扩散磁通开始减少，此时绕组损耗随b 的增加而减少。
当b 大约10个气隙距时，随b 的增加，磁芯窗口内的扩散磁通变化很小，此时绕组损耗随b 的增加而基本不变。
为了在b 刚开始增加时，使绕组损耗不增加，可以使绕组避开气隙远点的距离。
方案2和方案3中绕组分别距气隙3.25和4.25个气隙距，从图4(a)可以看出绕组损耗在b 刚开始增加时，绕组损耗不增加。
表2 漆包线电感结构 (单位:mm)A B C D E δ 方案1 1.1 5.2 2 3.4 4 0.2 方案2 1.1 5.2 2 2.8 4 0.2 方案31.15.222.240.2246814气隙位置b(mm)绕组损耗(W )气隙位置b(mm)5123456绕组损耗(W )(a)铜箔绕组 (b)漆包线绕组图4 绕组损耗随气隙位置变化的关系图图3(b)为漆包线绕组制成的电感，根据参数D 的不同有三种方案，具体参数见图3(b)和表2。
当电感绕组中通过幅值为0.1A ，频率为300kHz 的正弦电流时，用Ansoft Maxwell 2D 电磁场有限元软件得到三种方案单位长度的绕组损耗随气隙在磁芯柱上位置的变化趋势如图4(b)所示。
对比图4(a)和4(b)，在图4(a)中当b 大约为10个气隙距时，绕组损耗随b 的增加而基本不变。
而在4(b)中，绕组损耗是随b 的增加而减少明显的。
这和前面的分析是一致的。
是由于气隙位置对两者之间的旁路磁通的影响不同而产生的结果。
而扩散磁通对两者的损耗影响是一致的。
3 分布气隙参数对绕组损耗的影响为了减少损耗，通常要求绕组避开气隙一定的空间，一般为三个气隙长度左右。
这样在气隙较大时就会导致避让区域过大，使磁芯窗口面积利用率大大降低。
因此为了减少损耗和提高磁芯窗口面积的利用率，用分布的小气隙来代替大气隙。
如果小气隙之间的磁柱长度太短，部分扩散磁通就会旁过短磁柱，进入磁芯窗口内(如图5所示)，使分布小气隙的效果减弱。
因此小气隙间的磁柱应该多长，来尽量减少小气隙之间的影响，就是一个值得分析的问题。
根据文献[1]和前面的分析，对于漆包线绕组由于气隙在磁柱上的位置会影响磁芯窗口内的旁路磁通，最终影响绕组损耗。
而根据上节的分析，对于用铜箔绕制的电感，气隙位置不会影响到磁芯窗口内的旁路磁通。
现在是为了研究气隙间的扩散磁通对绕组损耗的影响，所以在研究过程中应该避免旁路磁通的改变而影响绕组损耗。
故在此处选用铜箔绕制的电感来进行研究。
磁芯和绕组参数同图3(a)和表1中的方案1，大气隙为0.6mm ，拆分为2个0.3mm 的小气隙(如图5所示)。
当电感绕组中通过幅值为1A ，频率为300kHz 的正弦电流时，用电磁场有限元软件得到单位长度的绕组损耗随小气隙间磁柱长度d 的变化趋势如图6所示。
由图可知绕组损耗的变化趋势和前面的分析一致。
当d 较小时对绕组损耗的影响较大，此时增加d 能大大减少绕组损耗。
随着d 的增大，增加d 对减少绕组损耗的作用逐渐减弱，当d 大约为5个小气隙长度左右时，气隙间距的变化对绕组损耗影响较小。
气隙间磁通分布气隙间距d(mm)绕组损耗(W )图5磁芯结构与磁通分布图 图6损耗对气隙间磁柱长度有时为了尽量减少绕组损耗，希望使用多个分布小气隙来代替集中的一个大气隙。
使用的小气隙越多，工艺就越复杂，成本就越高。
同时增加太多的小气隙，对减少绕组的损耗不一定明显。
因此小气隙个数增加到多少适合也是一个值得分析的问题。
