【導讀】近年來，中國汽車電子市場進入快速發(fā)展時期，帶動了對磁性元件的需求。由于汽車運行環(huán)境的惡劣、振動大、溫度高等特殊要求，對磁性元件產品品質要求就顯得特別嚴格。

 

 

一、電感器的工作原理

 

電感是一種能將電能通過磁通量的形式儲存起來的被動電子元件。通常為導線卷繞的樣子，當有電流通過時，會從電流流過方向的右邊產生磁場。

 

當交流電通過電感時，電流產生的磁場將其他的繞線切隔，因而產生反向電壓，從而阻礙電流變化。反之當電流減少時，則向電流增加的方向產生。

 

 

若電流的方向逆轉，反向電壓也同樣會產生。在電流被反向電壓阻礙之前，電流的流向會發(fā)生逆轉，因而電流就無法流過。所以說電感器是可以讓直流電通過，而通不過交流電的元器件。

 

 

二、電感器的分類

 

電感器有很多種，市場上也出現了各種電感產品，如高頻電路用電感器、電源電感器、以及一般電路用電感器等。今天漫談君著重為大家講解電源電感器，即功率電感器。

 

 

三、功率電感器

 

1功率電感器的作用

 

功率電感器一般用于電源處，能承受較大電流。電源電路中的電感器的主要用途有“變換電壓用”以及“扼流用”，并被用于各種電子設備中。

 

 

2功率電感器的應用

 

功率電感器廣泛應用于通訊、醫(yī)療保健、工業(yè)、家電以及汽車電子等領域，特別是汽車電子中的汽車信息娛樂設備，動力傳輸/安全設備等。近幾年來，新能源汽車不斷得到發(fā)展，包括混合動力汽車（HEV）、增程式混合動力汽車（PHEV）、純電動汽車（EV）以及燃料電池車（FCV）等，在這些新能源汽車中，需要使用到不同電壓等級的電源系統(tǒng)。

 

DC/DC變換器成為新能源汽車設計開發(fā)不可或缺的關鍵部件，而功率電感是DC/DC變換器不可或缺的器件，可以提供大電流，高電感，其通過積累并釋放能量來保持連續(xù)的電流。

 

3不同功率電感器的比較

 

以村田公司生產的功率電感器為例，從產品工藝上可分為繞線電感和疊層電感，從材料上可分為金屬合金粉（一體成型）電感和鐵氧體電感。與鐵氧體電感相比，金屬合金電感有以下特點：

 

 

1）具有很高的磁飽和特性

 

當電流急劇增加時，金屬合金電感的感值衰減比較緩慢，避免了鐵氧體電感的感值快速衰減造成的短路及誤操作的風險。

 

同時，針對溫度的變化，金屬合金粉材質的電感衰減比鐵氧體要緩慢很多。

 

 

2）更小的外形尺寸

 

同等特性時（感值、飽和電流等），金屬合金功率電感比鐵氧體功率電感的外形尺寸小50%左右，可以實現小型化和薄型化。

 

 

3）可有效抑制人耳能聽到的嘯叫噪聲

 

當大電流通過線圈時，對于鐵氧體構造的電感來說，磁場集中在磁性材料的粘合部位，從而會產生磁伸縮現象，磁性線會發(fā)生微小振動，產生keen sounders (核心響聲)的現象，從而引起嘯叫。

 

對于金屬合金構造的電感來說，因為形成線圈的磁性材料是微粒的，所以磁場較分散；一體成型構造也能夠控制線材的振動，從而很難產生嘯叫問題。

 

 

4）EMC性能好，可有效抑制磁泄露

 

 

5）耐沖擊，可靠性好

 

金屬合金電感是一體成型的結構具有很高的機械強度，特別適合移動設備和汽車電子的應用。金屬合金電感適用于汽車的嚴苛溫度刻環(huán)境的要求。

 

 

四、DC/DC變換器

 

電動汽車中的電動機的轉速范圍很寬，行駛過程中頻繁加速、減速，而且在電動汽車運行過程中蓄電池電壓的變化范圍也是很大的，在這樣的條件下如果用蓄電池組直接驅動電動機運轉，會造成電動機驅動性能的惡化，使用DC/DC變換器可以將蓄電池組的電壓在一定的負載范圍內穩(wěn)定在一個相對較高的電壓值，從而可明顯提高電動機的驅動性能。

 

另一方面，DC/DC變換器可以將電動機制動剎車時由機械能轉化而來的電能回饋給蓄電池組，其效率高達85%~95%，遠大于發(fā)電機的正常效率。以可控的方式給蓄電池組充電，尤其是在電動汽車需要頻繁啟動和制動的城市工況運行條件下，可以有效地回收制動能量，增加電動汽車的行駛里程。因此，電動汽車采用DC/DC變換器可以優(yōu)化電動機控制、提高電動汽車的整體效率和性能。下圖為電動汽車的系統(tǒng)架構圖。

 

 

作為電動汽車的供電設備，DC/DC變換器也給車載電子設備供電。根據純電動汽車車載電子設備不同屬性，可把用電設備分為長期用電設備、連續(xù)用電設備、短時間間歇用電設備和EV附加用電設備等四種類型，如下圖所示。同時，DC/DC變換器的體積和種類都很小且輸出穩(wěn)定。

 

 

DC/DC變換器主要分為如下三類：

 

 

1BOOST DC/DC

 

新能源汽車上使用的BOOST DC-DC變換器主要用于高壓系統(tǒng)的升級，將動力電池系統(tǒng)的電壓等級再行升高， 以匹配更高等級的電機驅動系統(tǒng)。BOOST DC/DC 變換器的系統(tǒng)結構圖下圖所示。

 

 

BOOST DC/DC 變換器有如下的特點：

 

1）需要能夠控制功率流的雙向流動，以能確保動力電池的充放電功能；

 

2） 功率大小需要匹配電機驅動系統(tǒng)的功率需求，一般與電機驅動系統(tǒng)集成設計， 共用其冷卻方式；

 

3）采用非隔離的設計拓撲方式，一 般 采 用 普 通 的BUCK-BOOST 拓撲方式， 設計較簡單；

 

4）電路拓撲簡單，但在整車設計開發(fā)中需要配合動力電池和電機驅動系統(tǒng)一起來控制， 配合整車方面的控制較為復雜。

 

在汽車應用中，目前車燈廣泛采用LED光源，因此會用到Boost DC/DC和Buck DC/DC等轉換器。

 

 

2BUCK DC/DC

 

BUCK DC/DC變換器一般代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽車的交流發(fā)電機，提供低壓蓄電池及低壓電器設備的電源。由于是高壓系統(tǒng)轉換為低壓安全系統(tǒng)，這類DC/DC變換器一般需要進行隔離化設計，相比BOOST DC/DC變換器而言整體效率有所下降，但總的設計功率也小很多，一般為1.5kW到2.5kW左右，設計功率以匹配整車低壓電器負載為原則。

 

BUCK DC/DC變換器一般采用三種拓撲設計：全橋變換器、半橋變換器和組合式正激變換器。其中全橋和半橋變換器設計的變壓器磁芯雙向磁化，磁芯利用率高，功率管使用較多，有橋臂直通的風險，控制及驅動較為復雜，比較適應大功率輸出的設計，如國外的整車廠商一般采用此拓撲，功率等級都在2kW以上，通過復雜的控制，可以實現功率流的雙向變換。國內的整車廠商從成本和設計可靠性考慮，一般使用組合式的正激變換器拓撲，功率等級限制在2kW以內，只能實現能量的單向流動，設計上簡單，功能上可靠。

 

在汽車應用中，BMC、VCU等方面會用到Buck DC/DC變換器，如將12V蓄電池電壓轉為5V電壓，來給相應電路供電。

 

 

 

3BOOST-BUCK DC/DC

 

由于車內的低壓電器設備較多，在不同的工況下的低壓功率需求差異很大，即使有+12V蓄電池穩(wěn)壓的情況下，仍不能保證+12V的低壓電源是穩(wěn)定可靠的，如在起動機啟動引擎時候，蓄電池瞬間可以跌落到6V，這樣使用低壓穩(wěn)壓的DC/DC 變換器來進行有效的穩(wěn)壓變得必要。如一些高級配置常規(guī)車，配備低壓穩(wěn)壓的DC/DC變換器，提供車載電腦的穩(wěn)壓；新能源汽車中控制動力分配、驅動的核心單元，使用低壓穩(wěn)壓的DC/DC變換器來穩(wěn)壓，以提供整車系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性。

 

 

對于DC/DC變換器，通過調查發(fā)現很多EMI問題來自于電路中的電源部分，針對此問題，可以有一些整改方案。從噪音模式的分類來說，分為差模噪音和共模噪音。

 

1）針對差模噪音，可以追加差模濾波器。

 

如PI型濾波，作為3階濾波器，EMC效果很好。其中電感可以使用MDH/DFEG/DFEGH系列產品。

 

 

 

2）針對共模噪音，一般建議在DC/DC變換器的輸入端或者輸出端加共模扼流圈。

 

圖中涉及到的共模扼流圈僅為參考，具體選取需要結合噪音頻段來看。

 

 

五、DC/DC變換器主電路參數設計

 

以隔離式DC/DC變換器為例，首先要確定樣機主要參數要求，如輸入電壓（變化范圍）、輸出電壓、輸出電壓紋波、輸出電流、開關頻率、效率等。

 

1主變壓器設計

 

髙頻功率變壓器是設計一款隔離式變換器最為重要的元件之一，具有傳送能量、變換電壓和隔離三大作用，許多其他主電路參數的設計都依賴于變壓器的參數，變壓器設計的好壞將直接影響變換器的體積、效率和可靠性等性能。

 

最常用的變頻變壓器設計方法有兩種：AP法和KG法。所謂AP法是指先計算出磁芯的窗口面積AW和磁芯的有效截面積Ae的乘積AP，AP代表了磁芯的體積和可能轉換的功率，根據AP選擇磁芯。AP法是求出磁心的幾何參數，再根據幾何參數選擇磁芯。本設計采用AP法。

 

1）選擇磁芯

 

每種材料的磁芯都有一個允許的最大磁通密度變化量△B，采用的磁芯材料△B越大，變壓器的繞組膽數越少，則變壓器繞組的通流能力越強。然而，過大的△B極易造成變壓器的磁芯發(fā)生飽和。由磁芯的磁滯回線可見，允許的最大磁通密度變化量△B應為飽和磁通的2倍。通常來說，選擇△B時應留有一定的裕量，以防止變壓器磁芯飽和的發(fā)生。

 

先計算變壓器的視在功率。設變壓器的功率傳輸效率η=0.95，輸出最大電壓紋波為輸出電壓,1%，對于次級采用倍流整流電路的全橋變換器，其視在功率計算如下：

 

 

再計算AP值：

 

 

其中：

 

K0——窗口利用系數，一般取0.4

 

Kf——波形系數，方波的波形系數為4

 

fs——工作頻率

 

Kj——溫度25℃時的電流密度系數

 

X——常數，由磁芯決定

 

2）變比N

 

變壓器的變比與變換器的傳輸功率、主電路拓撲結構以及占空比相關。越大，變壓器原邊的電流越小，原邊總的損耗越小，同時副邊整流管要承受的電壓應力也越小，變壓器的效率越高。同時，應能滿足在所有輸入電壓范圍內都能得所需要的輸出電壓，因此，在計算變壓器變比的時候應考慮在最小輸入電壓情況下輸出滿載且占空比最大進行。

 

 

3）原邊繞組匝數Np

 

 

4）副邊繞組匝數Ns

 

 

5）繞組導線的選擇

 

在選擇高頻變壓器的繞組導線時必須考慮趨膚效應的影響。當有交流通過導體時，變化的電磁場會在導體旳內部形成禍流效應，與通過導體內部的電流相抵消。從導體表面往導體中心這種現象越來越明顯，因此，在有高頻電流通過導體時，通過導體的電流密度越往導體中心越小，導體的中心幾乎沒有電流通過，電流只在導體的邊緣部分流過。這種現象稱為趨膚效應。常用的減小趨膚效應的影響的方法是采用多股導線并繞，其單股導線的線徑應小于穿透深度的2倍。

 

2輸出濾波電感設計

 

1）電感值的計算

 

輸出濾波電感值的計算首先要滿足輸出電流紋波△i0的要求，在滿足紋波要求的前提下，盡量選擇較小的電感，以提高變換器的動態(tài)性能。

 

 

式中：

 

V0——輸出電壓

 

D——全橋占空比

 

△iL——最大的輸出濾波電感的最大電流峰值

 

fs——工作頻率

 

 

2）濾波電感的設計

 

濾波電感的設計同樣采用法。當變換器的輸出滿載時，可得輸出濾波電感上的電流峰值為：

 

 

根據實際情況，選擇合適的電感器，計算出AP值，看是否滿足設計的功率要求。

 

3輸出濾波電容的計算

 

輸出濾波電容的選擇應考慮工作頻率、輸出電流紋波、輸出電壓紋波和能量儲存能力。電解電容的等效串聯電阻（ESR）會隨開關工作頻率的變化而變化。輸出電壓的紋波由以下公式給出：

 

 

 

通常在選擇輸出濾波電感時，先忽略等效串聯電阻，并取較大的裕量。

 

4開關管的選擇

 

1）全橋開關管的選擇

 

每個全橋開關管承受的漏源電壓應力為輸入電壓，最大為360V，考慮1.5倍的安全裕量，全橋開關管的耐壓值至少為540V。流過全橋開關管的電流就是變壓器原邊的電流，可由負載電流折算至原邊得出。由下式可計算得到全橋開關管的通態(tài)峰值電流：

 

 

2）同步整流管的選擇

 

同步整流管應承受的最大漏源電壓應力為360V/N，同時考慮2倍的安全裕量，同步整流器的通態(tài)峰值電流可由下式計算：

 

 

六、結語

 

近年來，隨著移動設備、家電、汽車、工業(yè)設備等全部設備中，組件的小型化、多機能化、高性能化、省電化不斷發(fā)展，搭載的電子元件就更加要求小型/薄型化且高性能化。

 

其中，組件的核心電源電路伴隨著DC/DC變換器IC的高速轉換，以及使用的電感器的低阻抗化的進一步發(fā)展，也越來越要求小型/薄型化、低直流阻抗、對應大電流以及高可靠性，這對新型電感器的研發(fā)提出了更高的要求。