我的电感的饱和电流与公式不符

电器工程 开关模式电源 电感器 磁学
2022-01-20 03:53:50

我已经缠绕了我的第一个电感器,并用 2 种方法验证了电感器。

然而,当我测试它的饱和电流时,它比公式给我的要低得多:

\$B_{peak} = \dfrac{V\cdot T_{on}}{A_e\cdot N}\$(单位:伏特、微秒、mm 2、转)

我将 \$B_{peak}\$ 设置为 0.2 特斯拉,并且在我的核心中使用 N87 材料。

我承认我的绕组很草率,但除此之外,我不确定是什么导致了如此低的饱和电流。这导致我的升压转换器每次都炸毁。

这是我的测试电路,用于测量饱和电流,我增加脉冲宽度直到它饱和,也用于方法 2 电感测量。

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

在此处输入图像描述

2个回答
  1. N87是直立式铁氧体材料,不像铁粉类材料那样分布气隙。仅仅因为它是环形形式并不意味着它是分布间隙材料 - 环形中的 N87 将与 E 芯中的 N87 以相同的方式饱和。使用直立式铁氧体作为升压电感器没有任何问题,只要您将其隔开(稍后会详细介绍)。它是环形的事实意味着你不能把它隔开。如果您想坚持使用环形外形,您可能需要切换到 Kool-Mu。

  2. 从 \$A_L\$ 因子推导出磁芯电感相当不错,只要磁芯上有足够的匝数,并且可以保持绕组合理均匀且层数尽可能少。请记住,\$A_L\$ 在某些内核上可能会有 +/- 25% 的变化。

  3. 升压电感同时承载负载的磁化电流和能量(将磁存储并在关断期间传递。)一旦转换器开始在连续导通模式下运行(当电感电流永远不会变为零时),情况会更糟因为您开始在不重置为零的 BH 曲线上操作。(Bmax 仍然是 Bmax,但您现在有一个 Bpeak 所在的直流偏移。)这些是电感器需要气隙的原因 - 否则磁芯将无法处理任何不饱和的显着直流电流。

  4. 我不确定我是否了解您的测试电路。电感的两端基本上都被钳位到 5V,这意味着两个电容(C1 和 C2)对仿真没有任何贡献。如果你真正的升压转换器以这种方式排列,它就不是升压转换器,永远不会工作。L1 需要通过 D1 将其储存的能量释放到负载,当 D1 和负载如图所示连接时,永远不会发生这种情况。输入和输出之间的唯一连接必须通过 L1 和 D1。我还将 R1 放在 Q1 的源极中,并进行单一的接地参考测量,而不是数学构造。(L1 只会在 Q1 开启时饱和,因此在 Q1 关闭时测量它是无关紧要的。)

答案已更改以适合更改的问题

此答案已被编辑,因为问题的焦点已更改。我的原始答案仍在下方,因为它与原始问题有关。

在任何电感器中,B(磁通量密度)和 H(磁场强度)形成 BH 曲线,从该曲线中您可以看到 B 不会随 H 线性增加 - 这称为饱和: -

在此处输入图像描述

H 是产生通量背后的安匝驱动力,以安培每米为单位。它的公式是:

H = \$\frac{IN}{l_e}\$ 其中 I 是电流,N 是匝数,\$l_e\$ 是磁路长度,对于环形线圈,\$l_e\$ 是磁路的平均直径核心 x \$\pi\$。你不需要计算它——所有的环形都将在数据表中指定。

B、磁通密度与下式中的H有关:

\$\frac{B}{H} = \mu_0 \mu_r\$

其中 \$\mu_o\$ 和 \$\mu_r\$ 分别是磁常数 (\$4\pi\times10^{-7}\$) 和磁芯材料的相对磁导率。

因此,如果您知道当前的峰值(或预期)并且您知道您有多少匝(以及您使用的材料和磁芯尺寸),您可以计算 B,磁通密度。

环形线圈的规格 \$l_e\$ 为 54.15mm,OP 建议峰值电流为 77mA,环形线圈绕制 51 圈。由此我们可以计算出H:-

\$H = \frac{0.077 \times 51}{0.05415} = 72.5\$ 安培每米

如果我们将其代入 B/H 公式并使用 N87 数据表中的相对磁导率 (2200),我们会得到:-

\$B = 4\pi\times10^{-7}\times 72.5\times 2200\$ = 200.4 mT,这就是 OP 在他的问题中所说的。

这只能意味着核心正在饱和,因为:

  • 到电感器再次发出脉冲时,并非所有磁能都已消除
  • 剩磁磁通 + 新磁通(脉冲)导致饱和(见 BH 曲线图)
  • 无论出于何种原因,有更多的电流进入电感器
  • 看起来不太可能,铁氧体不是 N87

就我个人而言,我会查看剩磁通量密度,看看这可能有多高。刚看了一下,N87 规格中的矫顽场强为 21 A/m。因为您没有消除剩磁通量,所以等效磁场强度为 21 A/m,这增加了您正在应用的 72.5 A/m,这意味着您实际上正在应用 93.5A/m,这导致磁通密度为更像是260吨。

除此之外,如果您不将电感器电流降低到零,您将会使问题更加复杂。鉴于电感值可能比您想象的要低一点(\$A_L\$ 可能低 25%),这些可能足以说明您的问题。

换一种思路,6.8mH 是一个非常大的电感值,可以在切换器中使用,因为我认为这是您的应用。要从 3400uH 的电感器获得相同的能量,只需要电流上升到 \$0.077\times\sqrt{2}\$ = 109mA。是什么阻止您使用更小的电感器?

原始答案

以下摘自OP的评论,我进一步的解释是解释他的方法是如何错误的:-

首先,我使用了一个 1.5kohm 电阻器与 6.8mH 电感器串联,并在 ~61 kHz 1vpp 正弦波下验证了半幅值

首先,如果你计算 \$X_L\$ 基于它等于 61kHz 时的 1500 欧姆,你会得到电感 \$\frac{1500}{2\Pi F}\$ = 3.9mH。现在看下面的相量图:

在此处输入图像描述

实际上,如果电感两端有 1Vp-p,这将是它的电抗更像 1060 欧姆,在 61kHz 时,这是 L = 2.8mH 的时候。

如果您的实际电感接近 2.5 倍,则在 \$T_{ON}\$ 处通过它的电流可能会大 2.5 倍,这当然会推动“接近饱和”的电感完全进入饱和状态。