一般而言,選擇電感時,只需計算出最大負(fù)載電流,通過容許20%紋波電流來建立電感。由于磁芯損耗微不足道,因此會出現(xiàn)類似于產(chǎn)品說明書中所示的溫升。然而,隨著開關(guān)頻率上升至500 kHz以上,磁芯損耗和繞組交流損耗可以極大地減少電感中的容許直流電流。使用20%紋波電流來計算電感,可帶來相同的磁芯材料通量激增,其與頻率無關(guān)。磁芯損耗方程式的一般形式為:
Pcore = K × F1.3。
因此,如果頻率 (F) 從100 kHz升至500 kHz,則磁芯損耗便為原來的8倍。圖1顯示了這種上升情況,還描述了隨磁芯損耗上升而下降的容許銅線損耗。100 KHz時,大多數(shù)損耗存在于銅線中,同時利用全直流額定電流是可能的。更高頻率時,磁芯損耗變大。由于總?cè)菰S損耗由磁芯損耗與銅線損耗之和決定,因此銅線損耗必須在磁芯損耗上升時降低。這種情況一直持續(xù)到各損耗均相等。最佳情況是,在高頻率下?lián)p耗穩(wěn)定保持相等,并允許從磁結(jié)構(gòu)獲得最大輸出電流。
圖1和圖2均基于固定磁芯體積和繞組面積,僅匝數(shù)可變。圖2顯示了圖1所示磁芯損耗的電感和容許直流電流。1.3 MHz以下時,電感與開關(guān)頻率成反比關(guān)系。電感在1.3 MHz附近達(dá)到最小值。該頻率以上,則必須升高電感來限制磁芯通量,從而將磁芯損耗控制在總損耗的50%。該電感的額定電流也同時被計算出來。低頻率時,磁芯損耗并不大,額定電流由繞組的功率損耗決定。
下列方程式中,匝數(shù)與頻率平方根的倒數(shù)成正比,因此頻率升高2倍(電感降低一半)得到0.707匝數(shù)。
L = μ × A × N2/lm
這種情況會以兩種方式影響繞組電阻。匝數(shù)減少30%,而每一匝的可用面積卻增加了41%。由于繞組電阻與匝數(shù)/匝面積相關(guān),因此電阻隨頻率上升而線性下降,例如:在本例中電阻下降2倍。
較高頻率時,磁芯損耗開始限制容許銅線損耗,直到達(dá)到它們相等的點(diǎn)為止。在這一點(diǎn)上,通過增加更多匝數(shù)以及升高繞組電阻,使電感上升來降低通量。這樣,電感額定電流減少。因此,從電感尺寸角度來說獲得了最佳頻率。
總之,增加開關(guān)頻率會縮小磁芯尺寸的看法是正確的,但僅限于磁芯損耗和交流 繞組損耗等于銅線損耗的點(diǎn)上。過了這個點(diǎn),磁芯尺寸實際上會增加。另外,設(shè)計人員需要注意的是,在有許多高開關(guān)頻率產(chǎn)品可供選擇的今天,一些相應(yīng)的應(yīng)用手冊中并沒有清楚地注明過高磁芯損耗存在的一些潛在問題。