電感，變壓器的難點(diǎn)整理

msPLC/msOS群內(nèi)有群友提到，對于電感，尤其是磁性材料，無從下手，確實(shí)，很多人學(xué)電源，首先碰到的就是電感問題，相比電容都有很多的標(biāo)準(zhǔn)件，而稍大一點(diǎn)的電感，都需要自己做，尤其是變壓器。而大學(xué)時(shí)期，電感方面的知識書本也只是講了個皮毛，根本沒法用，下面整理一下電感，變壓器的難點(diǎn)所在。

電感的儲能公式 W = 1/2*L*I^2。

這個公式，本質(zhì)上講跟電容的儲能公式形式等價(jià)：W = 1/2*C*U^2。

再自己想想，大家會發(fā)現(xiàn)跟高中時(shí)期學(xué)的力學(xué)物體運(yùn)動的動能公式形式也一樣：E = 1/2*M*V^2。

既然有動能，那么就有勢能，彈簧的勢能，E = 1/2*K*X^2。以上四個公式中，前兩者電容電感是電磁能的公式，后兩者是物質(zhì)機(jī)械能的公式。

大家都知道機(jī)械能中，動能跟勢能相互轉(zhuǎn)換就是振動，動能跟勢能同時(shí)轉(zhuǎn)換就是機(jī)械波，比如水波、振動波、聲音等等。波是能量傳遞的一種基本方式，可惜的是波的學(xué)習(xí)在大學(xué)物理中，很多二三線高校就沒有深入的開展，所以導(dǎo)致很多人不了解波。

跟物質(zhì)機(jī)械能類似，電能的容器是電容，磁能的容器是電感(準(zhǔn)確的名字應(yīng)該是磁容)，電能與磁能的相互轉(zhuǎn)換是LC振蕩，電能與磁能同時(shí)轉(zhuǎn)換就是電磁波。此外，大家要注意到，所有這些公式前面都有一個1/2，這個是很有意思的，比如，在恒定電壓下，給電容充電，電容只能獲得1/2供電端的能量，還有一半損失在電阻上了，這個規(guī)律在機(jī)械上也如此，典型的案例就是汽車起步時(shí)很耗油，勻速后油耗最低。起步時(shí)汽車速度為0，燃燒的氣體對活塞做功，這些功幾乎都轉(zhuǎn)化為熱能浪費(fèi)了。所以要想降低損耗，需要降低檔位，緩慢起步，讓活塞運(yùn)動速度與汽車速度的落差減少(這個中間有減速器和離合器，起步主要靠離合器實(shí)現(xiàn)速度落差阻尼匹配，類似RC充電電路的電阻，阻尼電壓差)。電容常見的指標(biāo)有容量、耐壓兩個，其次是損耗，頻率特性，損耗跟頻率特性，跟介質(zhì)材料有極大關(guān)系。

那么電感同樣也有類似的指標(biāo)，電感量，耐流，其次是損耗，頻率特性，同理也跟磁性材料有極大關(guān)系。電感，之前講了，應(yīng)該屬于磁容，容納磁的東西，相比電容容納電場，電感就是容納磁場，根據(jù)安培環(huán)路定律，電流就是磁，因?yàn)橛须娏骶蜁a(chǎn)生磁場，所以跟電容對應(yīng)，電感存儲的是磁，也就是電流。

電容的電荷量公式 Q = C*U，同理電感的磁通量公式 Φ = L*I。(在多匝線圈中，要除以匝數(shù)，Φ = L * I / N)

電容的電荷量不能無限制的增加，若太多，電壓升高，會導(dǎo)致介質(zhì)擊穿 E = U / d

電感的磁通量同樣不能無限制的增加，若太多，磁壓升高，會導(dǎo)致磁性材料的磁飽和，這是電感學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，很多電感，都是圍繞著電感量和磁飽和展開的，而電感量和磁飽和，是一對矛盾體，接下來核心講這一對矛盾體。我們以磁環(huán)電感為例來講，

電感量的公式：L = kN^2，k為系數(shù)，N為匝數(shù)，電感量跟線圈的匝數(shù)的平方成正比，注意，是平方成正比。

磁通量的公式：Φ = L*I/N = k*N*I。磁通量為電流與匝數(shù)成正比。

電感量跟匝數(shù)平方成正比，而磁通量跟匝數(shù)成正比，確定形狀后，不同的磁性材料，最大磁通量有一個極限，為了統(tǒng)一到材料上去，不考慮形狀，一般用磁通量密度，也就是磁感應(yīng)強(qiáng)度表示：B = Φ / S，也就是單位面積的磁通量。所以不同的材料，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度是不同的，比如鐵氧體材料錳鋅、鎳鋅最大磁飽和是0.5T，也就是5000高斯，一般取值小于0.3T，鐵粉芯的磁飽和為1T。

我們自己制作的電感，需要滿足以下條件：

1、電感量大小；

2、磁感應(yīng)強(qiáng)度不能達(dá)到飽和；

3、體積、發(fā)熱量。

電感所有的問題基于這個展開。設(shè)計(jì)電感，我們總是想用最小的磁環(huán)、最短的銅線達(dá)到目的，并且還沒有發(fā)熱量。若想實(shí)現(xiàn)這個，那么磁性的材料損耗必須要低，此外銅線短一些，銅的發(fā)熱量也少，尤其在高頻下，銅線因?yàn)橼吥w效應(yīng)發(fā)熱量提高。

基于上述條件，一般采用高磁導(dǎo)率低損耗的錳鋅或者鎳鋅材料，錳鋅常見的是PC40材料，磁導(dǎo)率為2500，鎳鋅適合更高的頻率，但磁導(dǎo)率低一些，往往是800。高的磁導(dǎo)率，很容易得到高的電感，所以很適合做高頻變壓器?，F(xiàn)在開關(guān)電源基本上工作在100KHz上，都是用錳鋅來做變壓器的。然而，在一些場合，比如變壓器整流后輸出，需要電感濾波，這個時(shí)候同時(shí)存在交流和直流電，很高的磁導(dǎo)率，很容易讓直流導(dǎo)致磁飽和，類似一個喇叭，沒聲音的時(shí)候，應(yīng)該在音圈振動的中心原點(diǎn)，而因?yàn)橛兄绷鞔嬖?，偏離中心點(diǎn)了，這樣交流波動的范圍就大大縮小。所以這個時(shí)候需要調(diào)整策略，首先要選擇磁飽和大的磁芯，比如上面講到，鐵粉芯磁飽和可以達(dá)到1T，高于錳鋅一倍，其次，鐵粉芯磁導(dǎo)率較低，一般為60甚至更低，磁導(dǎo)率低了，繞的圈數(shù)就要多一些才能達(dá)到想要的電感量，或許大家會問，電感量低了，圈數(shù)繞多了，同樣也要導(dǎo)致磁飽和啊，不知道大家注意到上面講的一點(diǎn)沒有，電感量跟圈數(shù)的平方成正比，而磁感應(yīng)強(qiáng)度跟圈數(shù)成正比，也就是說，隨著圈數(shù)的提高，電感量很快達(dá)到我們想要的值，而磁感應(yīng)強(qiáng)度卻沒有達(dá)到飽和。利用電感量跟圈數(shù)的平方關(guān)系，而磁感應(yīng)強(qiáng)度與圈數(shù)線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了很好的平衡電感量與磁飽和，這一點(diǎn)非常關(guān)鍵。像現(xiàn)在的大功率電源前段都有PFC，也就是功率因數(shù)校準(zhǔn)，都需要升壓用的電感，這個電感流過的電都是交直流復(fù)合的，所以一般用鐵粉芯材料，現(xiàn)在比較好的一種鐵粉芯名叫鐵硅鋁，磁導(dǎo)率125附近，發(fā)熱量較低?？梢赃@么講，目前市面上大部分開關(guān)電源，變壓器一般用高磁導(dǎo)率的鐵氧體材料錳鋅，而升壓、降壓濾波，帶直流分量的都是用低磁導(dǎo)率的鐵粉芯材料。