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電感飽和究竟是怎么回事?

發(fā)布時間:2020-07-15 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】“電感飽和”這個我一直聽到的詞匯竟然是如此陌生——我不知道它到底意味著什么,除了電流彎曲失真,燒壞器件這些表象,在物理上“飽和”到底是什么意思?
    
“電感飽和”這個我一直聽到的詞匯竟然是如此陌生——我不知道它到底意味著什么,除了電流彎曲失真,燒壞器件這些表象,在物理上“飽和”到底是什么意思?
 
感值,耐溫,飽和電流,尺寸,價格,這五個是我們電感選型的基本坐標(biāo)系,當(dāng)然我們還會考慮線圈和磁心的形態(tài),磁材,安裝焊接方式。選型過程中最惱火的無過于在數(shù)十個電感中找到合適的,卻發(fā)現(xiàn)其中一個參數(shù)不滿足要求,或者僅僅因為發(fā)生概率極低的峰值功率而導(dǎo)致的飽和電流不足而帶來過大的設(shè)計裕量。
 
感性的秘密
電感之所以呈現(xiàn)感性,即流過電感的電流會滯后于施加在電感上的電流(事實上是滯后 90 度相角),是因為楞次定律,電感就像熊孩子抓住家里的寵物,阻礙寵物的前進(電流的變化),你得給熊孩子一些壓力,他先會不大情愿,然后再讓寵物(電流)走一下(我們充分利用了這個不聽話的特性來實現(xiàn)我們扼流 Choke 的目的);電感又像一個彈簧,當(dāng)你施加壓力的時候,它把一部分能量存在自己體內(nèi),剩下的一部分能量傳輸出去,當(dāng)彈簧被壓縮到極限時,它沒辦法再存儲更多的能量了,即發(fā)生飽和,所有增加的能量都被悉數(shù)傳遞出去,電感失去了它的滯后作用。
 
在物理上彈簧這個例子或許更加恰當(dāng),就像下面這段我在網(wǎng)上找到的教科書般的答案:
 
電子在原子外層繞著數(shù)層軌道旋轉(zhuǎn),每一層電子旋轉(zhuǎn)都會依愣次定律產(chǎn)生一微弱的磁場,每一層的磁力不同、方向也不同,但合力為零,沒有磁性。當(dāng)一線圈通電流,同樣的依愣次定律產(chǎn)生一磁場,磁力線穿過磁性材料(鐵心),磁性材料內(nèi)原子的電子旋轉(zhuǎn)軌道開始轉(zhuǎn)向,以抵消線圈產(chǎn)生的磁力線,線圈電流越大,越多磁性材料電子的旋轉(zhuǎn)方向改變,最后所有磁性材料電子旋轉(zhuǎn)方向都相同時,就是磁飽和。
 
電感磁飽和原因與理論分析
當(dāng)我們在所有電子上都疊加一個共同的旋轉(zhuǎn)方向,就像整齊劃一的軍隊方陣,它的磁力就達到了最大,不能再增加磁力就被成為飽和。
這種說明足夠形象,可以定性解釋飽和的概念,但是定性并不能讓我滿足,物理的魅力遠遠不止在定性分析。
 
電感飽和的物理意
當(dāng)我們談?wù)撾姼酗柡偷臅r候,實際上是在談?wù)撹F心飽和——空心的電感永遠不會飽和。這時候很直觀的問題就是:為什么不使用空心電感呢?
 
這就必須從電感量的計算公式說起:(這里直接拿出結(jié)論,具體的推導(dǎo)將在下一部分提到)
 
 
中是感量,磁導(dǎo)率,繞組等效匝數(shù),磁路的等效截面積為,電感線圈等效磁路長度為。
 
 
顯而易見,要提高感值可以增大分子,減小分母。往往受限于體積(尤其是功率電感的線非常粗,每一匝都會大大增加體積,且提高也會提高)、線阻(發(fā)熱)、寄生電容(尤其是 EMC 電感,寄生電容會大大削弱其高頻抑制能力)。在相同 dimensions 下,提高幾乎是唯一途徑,空氣的磁導(dǎo)率幾乎等于真空中磁導(dǎo),而性能優(yōu)異的磁性材可達,空心電感對比含有磁心的電感,其感值也會相差幾千倍。
 
電感飽和究竟是怎么回事?
 
9 種鐵磁性材料表示磁飽和的磁化曲線。
 
1. 鋼板,2. 硅板,3. 鋼鑄件,4. 鎢鋼,5. 磁鋼,6. 鑄鐵,7. 鎳,8. 鈷,9. 磁鐵礦 
 
“成也蕭何,敗也蕭何。”幫助我們獲得高感值,卻也帶給我們飽和的問題。磁場強和磁感應(yīng)強度的關(guān)系可以用磁導(dǎo)率表示:磁性材料的磁導(dǎo)率不是一個恒定不變的量,而是取決于磁場強度。在會發(fā)生磁飽和的金屬中,隨著通過電感的電流增加,相對磁導(dǎo)率隨磁場強度的增加達到一個最大值,然后隨著它的飽和減小,最后會變?yōu)?1,所以相應(yīng)的電感也趨向空心電感,換句話說,就是變成了導(dǎo)線,這就是電感飽和的物理意義。
 
 
電感不會消失,只會退化成空心電感。
 
 
曲線(在很多教科書里它有另一個名字:磁滯回線,當(dāng)然,磁滯回線還有另外三個象限)如下圖所示,在的右極限處,所有的材料都會趨向于同一根直線,,這就是大自然的物理收斂:
電感飽和究竟是怎么回事?
 
因為磁飽和,鐵磁性材料的磁導(dǎo)率μf 會隨磁場強度增加,上升到一最大值,之后漸漸下降。 
 
用麥克斯韋方程組計算一切!
 
一切電磁相關(guān)的物理量,都可以從麥克斯韋方程組得出。電感并不例外。
 
電感飽和究竟是怎么回事?
 
電感(這里只考慮自感)的物理定義式是
 
電感飽和究竟是怎么回事?
 
它描述的是在單位電流變化率
 
 電感飽和究竟是怎么回事?
 
下產(chǎn)生反向感應(yīng)電動勢的能力。
 
物理上最撓人的幾個事實之一就是,定義式往往不是用來設(shè)計的公式,針對后者我們還會有一個更常用的計算公式,下面來推導(dǎo)一下:
根據(jù)法拉第定律(麥克斯韋方程之一),感應(yīng)電動勢等于磁通()變化率,
 
如果是多匝線圈還需要考慮繞組等效匝數(shù)
 
電感飽和究竟是怎么回事?
 
結(jié)合電感定義式,有電感飽和究竟是怎么回事?: 兩邊同時對時間積分,
 
可得電感飽和究竟是怎么回事?
 
由    電感飽和究竟是怎么回事?
 
設(shè)通入電感電流為,根據(jù)全電流定律(麥克斯韋方程組之一)結(jié)合電感的定義,可得:
 
 電感飽和究竟是怎么回事?
 
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