开关电源中电感气隙的设计与研究（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）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：Inductorsarecommonlyusedintheswitchingsupply.Besidestheuseoflow-permeabilitymagneticmaterialtoformauniformlydistributedgap,inductorswithhighpermeabilitycoreshavetoneedairgap.Thereisfringingfluxneartheairgap,whichresultintheadditionallossesinthewinding.Thismakeswindinglossesofinductordifferentfromtransformers.Basedonpreviousresearchoutput,windinglossesofinductorswithhighpermeabilityferritecoreareanalyzedindetailbyusingtheFiniteElementAnalysis(FEA).Generaldesignguidelinesfordecreasingwindinglossesofinductorsaregivenforlumpedgapandquasi-distributedgap.Keywords：InductorAirgapDistributedgapAir-gaparrangementWindinglosses1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。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