为高能效应用计算理想的功率电感值
作者：Alexander Gerfer、Ranjith Bramanpalli、Jochen Baier
Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG
Max-Eyth-Str.1, 74638 Waldenburg, Germany
电话：+49 7942 945-0，电子邮件：appnotes@we-online.de，www.we-online.co
带电源装置的设备的能效主要受电感的影响。为计算理想的功率电感值，我们开发了一个可降低磁芯材料损耗的解决方案：一款简单的在线工具，可准确确定交流损耗。
好的高能效设备设计很大程度上取决于其电源装置，因而取决于其单个元器件的组成。因此，选择这些元器件时——比如电感（线圈，更确切地说电感值），例如用于短暂储能——了解它们的损耗和发热情况至关重要。通过引进新材料并且使用各种计算模型计算交流损耗，可以度量和确定高能效应用中的理想功率电感值。
尽管线性稳压器是过去使用最为广泛的稳压器，但现代电力电子设备中使用的主要是开关电源。处理器电压的不断降低在这方面发挥了重要作用。就在几年前，最高 300 kHz 的开关频率还很普遍，而如今，现代开关控制器的频率通常可达到 800 kHz 或以上。在开关电源装置的设计中，开关损耗和功率电感损耗是两个至关重要的方面。后者会受到材料组合的影响。磁芯损耗的传统计算采用的是 Steinmetz 公式，很快就到达了瓶颈。伍尔特电子提供了一款基于计量方法的新工具，可帮助开发者确定到目前为止功率电感在应用环境中最准确的直流电流和交流电流损耗数据。
降低磁芯材料损耗
通过引进新型铁合金族材料成分，伍尔特电子进一步降低了高电流功率电感的磁芯材料损耗。WE-MAPI 元器件系列凭借巧妙的材料选择和精湛的制造技术，实现了电感值和载流能力优化使用与低内部损耗的完美结合。
传统的线圈通常使用漆包铜线缠绕在磁芯上，并且用线夹钎焊或熔焊到端子上。然后，一起安装和粘结外部屏蔽壳与内部磁芯和绕组。WE-MAPI 则与此不同：绕组与元器件的连接焊盘直接接触，无需钎焊和熔焊。由于不再需要线夹，有效直径得以增加，从而减少了获得相同的电感值所需的绕组。绕组的直流电阻 (RDC) 显著减少直接说明了这一点。
WE-MAPI 的磁芯由紧压在绕组周围的创新性铁合金组成。这可通过较小的封装尺寸赋予线圈较高的电感值。同时，磁芯的特殊结构实现了自屏蔽效应。磁芯材料本身具有温度稳定性，具有较小温度漂移和软饱和特性。此外，磁芯周围还涂有保护层，防止表面受到环境影响。
图 1：外部封装和磁芯结构：WE-MAPI 线圈降低芯材损耗
功率电感中的损耗
功率电感的损耗是由芯材损耗和绕组损耗共同导致。后者可以分为绕组的直流损耗（主要受绕组的直流电阻影响）(P=I2* RDC) 和交流损耗 (RAC)（由集肤效应和邻近效应引起）。
线圈是转换控制器中最重要的元器件之一，因此，在正确选择元器件的过程中，准确确定损耗和发热特性是关键的一步。为了预测发热特性，首先必须准确确定交流损耗。在这方面，Dowell、Ferreira 或 Nan/Sullivan 法仅仅是当今使用的其中一些方法。
以往先是使用 Steinmetz 模型确定磁芯损耗，后来使用改进或广义 Steinmetz 模型确定。Steinmetz 公式的主要缺点在于它主要应用于正弦激励，并且系数的确定通常仅通过小信号进行测量。不过，对于电力电子设备的大多数应用，线圈电流并非正弦的。并且电流为若干毫安 (mA) 至若干百安培 (A) 的大信号。
还存在试图通过分离磁滞损耗和涡流损耗解决非正弦波形问题的其他模型。经验性的 Steinmetz 公式已证明是一个很有用的变型，但是仅对正弦电流提供较高的准确性。不过，各个 Steinmetz 模型仅对 50% 的占空比和在有限的频率范围内具有最佳效果。此外，确定磁路长度非常复杂。因此，借助现有的铁粉和金属合金模型确定磁芯损失不仅要求苛刻，而且准确性也有明显波动。对于由若干不同磁芯材料组成的电感，估算损耗不是无法实现，至少也是极其复杂。
基于经验数据的交流损耗模型
伍尔特电子开发了一个先进的模型，能够准确测量电感的完整交流损耗。此模型基于通过实时应用设置生成的经验数据。此处，电感的总损耗分为交流损耗和直流损耗。
经验数据通过直流/直流转换器捕获。向电感施加脉冲电压，借此测量输入功率 Pin 和输出功率 Pout。在此基础上确定 Ploss = Pin - Pout ，并分离线圈的交流损耗 PAC。此程序可用于测量和采集磁调制波动、转换频率、纹波电流等各种参数设置的经验数据。然后使用这些经验数据，创建交流损耗计算模型。
图 2：REDEXPERT 用户界面：这款在线工具可计算理想功率电感值并估算温度
在线确定损耗
REDEXPERT 是一款由伍尔特电子提供的在线设计工具，可用于为相应的应用选择最合适的功率电感。这款工具直观高效，只需点击一下按钮，即可对元器件进行比较。
计算磁性元器件交流损耗非常重要同时也非常复杂，但 REDEXPERT 可以大大降低其复杂程度，因为这款工具集成了伍尔特电子开发的交流损耗模型。这款应用程序可以实现高精度的完整交流损耗计算，因此也适用于温度估算。
目前支持三种拓扑结构，可以为应用选择以下元器件：降压、升压和 SEPIC 转换器。损耗以图形方式在整个输入电压范围内显示，以便考虑极端情形。这样就可以为相应的应用选择最高能效的功率电感。
如需为降压转换器确定正确的电感，可在用户界面中输入当前输入电压范围和输出电压和电流，以及电感的转换频率、二极管导通电压和目标纹波电流。只需单击“显示详细信息”，即可获得最合适的功率电感，包括预测纹波电流和应用损耗。
此外工具还提供了手动损耗计算器，可确定与拓扑结构无关的功率电感损耗。只需输入频率、占空比和纹波电流或电压降即可，REDEXPERT 会完成其余的工作。一个有用的功能是以图形形式在数据输入屏幕下方即时显示输入内容。
REDEXPERT 是一款基于 Web 的工具，因此无需下载，也不用担心更新问题。注册用户可访问更多功能，例如针对所有可能的电流值确定电感的电感值或温度升高的情况。
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交流损耗模型的优点：
- 经验数据基于直流/直流转换器
- 准确确定每个给定占空比的损耗
- 准确性涵盖较宽的频率范围（10 kHz 至 10 MHz）
- 考虑磁芯材料和绕组结构方面的最小变化
- 适用于使用了多种材料的元器件
- 准确确定由铁粉和金属合金制成的元器件的损耗
- 适用于所有可能的磁芯设计和绕组结构
- 包括交流绕组损耗