解析电源设计2-储能元件-电感
2015-11-18 10:01
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解析电源设计2-储能元件-电感
转自:http://i-makers.info/blog/190.html
电感
与理想电容器相对应,理想电感是一种通直流隔交流的电子元件。电感通过把电能储存成磁能,达成储能目的。组成电感的材料没有电容那么复杂,是由硅钢片制作的铁芯,和在其上用铜线缠绕的线圈来构成的。图1
电源模块上的电感元件
根据中学物理学知识,我们知道,当直流电通过线圈时,线圈作为为普通导线,会形成环绕导线的电场,不过没有磁场的产生,当有交流电作用于线圈的时候,电场随着电流的变动而产生变动,变化的电场产生了磁场,线圈中间的铁芯则为了更好的传递磁场的磁通量而设计,同时,变化的磁场又产生电场作用于原来的电路,从而形成交流环境下电感的阻抗计算公式。
z=jωL
从公式可见,其阻抗和交流频率成正比,因此对于频率为0的直流成分,其阻抗也为0,而交流的频率越大,其阻抗就越大。
电感的测量单位是亨(H),电感器电感量的大小,主要取决于线圈的圈数(匝数)、绕制方式、有无磁心及磁心的材料等等。通常,线圈圈数越多、绕制的线圈越密集,电感量就越大。有磁心的线圈比无磁心的线圈电感量大;磁心导磁率越大的线圈,电感量也越大。
电感元件也包含分布电容,这是由线圈和铁芯材料本身及其绕制工艺产生的,需要通过更先进的加工方法加以改善。对于电感而言,其能量损耗方式被分成铜损和铁损两种,由线圈产生的损耗称为铜损,由于铁芯导磁造成的能量损失称为铁损。
瞧一下那一匝匝缠绕起来的线圈,直径细而且拉开的总长度就很长,因此会在直流电流的时候就会引入直流电阻,对于高频电流而言,其传输还引入了趋肤效应,这个效应可以翻教科书温习一下,它是因为交变电场产生感应电流,而此电流出现在减小原来电流的方向,导线中心得感应电流最大,因此它使得电流有效传输不能在导线截面内平均进行,而是越往导线边缘,有效电流越大。这是导致铜损的另一因素。
在看看铁损,它通常由涡流损耗和磁滞损耗构成,前者是由于感应涡流在磁芯中流动将产生I^2×R的功耗,后者是指铁磁材料的磁性状态变化时,磁化强度滞后于磁场强度,它的磁通密度B与磁场强度 H之间呈现磁滞回线关系。经一次循环,每单位体积铁芯中的磁滞损耗正比于磁滞回线的面积。这部分能量转化为热能,使元件升温,效率降低。
铜损和铁损不仅在电感中出现,在电磁场工作的变压器和电动机领域也是重要的研究对象,因此还会进行对于品质因素的研究,在无辐射系统中,它定义为
Q=无功功率/有功功率。
在【1】中就对提高Q的电感工艺提出了几个常用的办法。
图2 电感滤波
图2展示了电感滤波的原理图,对比电容滤波和电感滤波,可得如下结果:
表1 电容滤波和电感滤波的比较
有了对储能元件的分析,下一步我们就可以看看如何设计线性电源和开关电源了。
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