最全电感设计指南来了，从原理到应用一文搞定

功率变换器中的磁元件有很多，比如EMI滤波电感，PFC功率电感，LLC拓扑中的谐振电感以及输出直流滤波电感、变压器等等。他们在电路中起到非常重要的作用。

作为阻容感中基础的电感，是电源电路中不可或缺的一个元件。下面就从一个典型的AC/DC电源拓扑结构出发，分析电感的作用：

AC交流输入，前级是EMI滤波电路，经过整流桥整流后，通过PFC电路实现对输入电压电流的功率因数校正，一般输出电容Cpfc母线电压为400V左右，后级接一个半桥LLC直流变换器实现功率的变换和原副边的电气隔离，最后经过输出滤波电路实现对输出电压的纹波噪声进行滤波，给负载进行供电。

首先看EMC电路，它包含共模电感，差模电感或者复合滤波器；共模电感主要用于滤除共模噪声，差模电感主要用于滤除差模噪声；有时候为了集成化，会人为的将共模电感的差模成分加大，这样就组成了复合滤波器，既可以实现共模噪声的滤除，还可以对差模噪声进行滤除。

然后这个就是PFC电路，它包含一个PFC的功率电感，来实现能量的存储和释放，实现功率因数的校正。

再后面就是一个半桥的LLC拓扑结构，那么谐振电感是本次课程需要重点介绍的内容；谐振电感Lr和谐振电容Cr组成谐振网络，在谐振频率的工作条件下，谐振腔的电流几乎为正弦状态，这样就会给谐振电感的设计带来了很大的挑战。

最后就是输出滤波电路，一般输出滤波电路由pi型电路组成，它由前后级滤波电容Co1/Co2和滤波电感Lo组成。LLC拓扑结构对输出滤波电感不是必须的，但是比如像移相全桥拓扑/正激变换器拓扑结构，这样的拓扑结构在输出端必须要有输出滤波电感，用来进行能量的变换和转移。

接下来就为大家分析几种不同功能电感：

1）EMI滤波电感：

我们希望EMI滤波电感的饱和电流越大越好，所以在选择共模电感磁芯的时候一般选择铁氧体磁芯或者纳米晶磁芯；选择差模电感磁芯的时候，一般选择棒形铁氧体或者铁基非晶磁芯；

现在看一下EMI滤波器的作用：将EMI滤波电路比喻是一张网，左边是AC电网，右边是开关电源内部本身；

首先EMI滤波器可以滤除开关电源本身的电磁波，防止其进入电网；其次是滤除电网传输过来的电磁波，防止其干扰电源。通俗一点讲，就是我电源不干扰电网，电网也别想干扰电源。

那么，在设计EMI滤波电路的共模电感时，需要注意它的电感特性，比如频率范围在100kHz~1MHz的范围；需要注意它的阻抗特性，比如频率范围在150kHz~30MHz，还有它的谐振频率/不平衡电流/损耗等都是需要去注意的比较关键的参数。

2）PFC功率电感

在这里给大家介绍几种常用的PFC功率级拓扑：

这些PFC功率级拓扑结构往往至少包含一个或以上的功率级电感。PFC功率电感在这些拓扑结构中的作用是在开关管导通时存储能量，在开关管关断时释放能量，起到Boost电路的特性，实现对输入电压的升压。

由于PFC电感连接在输入端，可以起到很好的将输入电流跟踪输入电压的功能，来达到实现功率因素校正的目的。

那么作为PFC功率电感，需要注意哪些主要的电气性能指标以及它的作用呢？

首先是电感的电流特性，也就是L-I特性曲线，这个主要是对输入电流纹波的控制，电感量越大，纹波越小；电感量越小，纹波越大。所以我们在设计PFC电感的时候需要考虑在0电流偏置的电感量，电流纹波率以及饱和电流。

电感电流特性与磁芯的选择也有很大的关系，一般可以选择铁氧体磁芯/铁硅铝磁芯/铁硅合金磁芯/带气隙非晶磁芯/磁粉芯这些材料作为PFC功率电感的磁芯，它们各有利弊。

其次就是电感的阻抗特性和谐振频率，这个主要是EMC方面的考虑。在设计PFC电感时尽量保证在100kHz~30MHz的频率范围内保持感性状态，同时，也要保证它自身的谐振频率尽可能的高；通常至少为1MHz以上。

最后就是一个损耗的设计，PFC电感的损耗总的来说可以归结为磁芯损耗和线材损耗；线材损耗又和直流阻抗，Q值，交流阻抗这些因素有关系，而交流阻抗又和工作频率，绕制方式有比较大的关系。

所以，我们要想设计好一个PFC功率电感，需要弄清楚这些主要的关键电气性能指标。

3）半桥LLC拓扑中的谐振电感

为什么叫LLC，它是由一个谐振电感Lr，一个变压器激磁电感Lm和谐振电容Cr组成的一个谐振网络，所以将它们成为LLC拓扑结构。

谐振电感Lr在LLC拓扑结构里面主要是和谐振电容Cr组成谐振腔电路，产生谐振，所以在这个电路里面谐振电感Lr是没有直流电流的，而是产生一个比较大的近似交流的正弦波电流。

这个是谐振电感和激磁电感的电流波形，粉红色曲线是谐振电感电流波形，绿色曲线是激磁电感的电流波形。它们两者的差就是传递到LLC副边的电流波形。

那么谐振电感电流波形有什么特点呢？第一个是大的电流纹波；其次是没有直流偏磁，也就是基本只有交流电流过流，没有直流电流。

那么该如何去设计谐振电感的参数呢？

大家知道，在LLC拓扑中，它是利用工作频率的变化去稳定输出电压的，不像一般的拓扑结构进行PWM调制，而是PFM进行LLC的调制。

那么LLC拓扑结构就有两个谐振频率，一个谐振频率fr是激磁电感不参与谐振，只有谐振电感和谐振电容进行谐振；另外一个谐振频率fm，也就是激磁电感参与谐振。

我们可以称fr是谐振频率点，fm为最低工作频率点。通过这个LLC谐振变换器直流特性的曲线可以看出，它分为了ZVS区域和ZCS区域，为了保证系统一直处于ZVS，那么需要系统一直处于感性区域，否则低于fm频率点容易进入ZCS容性区域，产生可靠性问题。

谐振频率确定好之后，还有另外一个很重要的参数是k值，也就是激磁电感和谐振电感的比值。比如在通信电源中，k值一般推荐范围3~5。当然，也可以把k值做的更高一点，这样更有利于效率的提高，但是工作频率的范围会更宽，不利于控制。

谐振参数确定之后，那么如何进行谐振电感的设计。

首先是磁芯的选取，包括磁芯的材质和形状，比如采用铁氧体PQ系列的PC40材质；

然后就是线径的选取，根据工作频率，电流密度等参数选择合适的线径，可以采样三层绝缘线，漆包线后者利兹线；

最后就是电感线圈的绕制方式，如果能一层完整铺满最好，这样不论是对损耗，还是漏感，都有好处。

4）输出滤波电感

输出滤波电感可以分EMI滤波电感和输出功率滤波电感。

先来看一下EMI滤波电感，一般是一个pi型滤波电感，由电容C1/C2和L1组成，主要是完成对输出信号的滤波。

大家可以根据自己的需要，去选择不同的滤波电感来达到自己的设计要求。

另外一种是输出功率滤波电感，比如在正激变换器中，输出滤波电感Lo主要起一个续流的作用。

在开关管Q1导通时，输入能量通过变压器Tr传递到副边，二极管D1导通，输出滤波电感Lo存储能量。当开关管Q1关断时，此时变压器没有能量传输，二极管D1截止，输出滤波电感Lo通过D2给输出进行能量释放，完成开关管Q1关断期间的续流作用。

最后来做一个总结：

1）EMI滤波电感，一般有共模电感，差模电感和一些磁珠；

2）功率电感，分LLC中的谐振电感，输出滤波电感和PFC电感。谐振电感的特性是承受大的电流纹波，没有直流偏磁；直流滤波电感是承受大的直流偏磁，小幅值的高频小电流纹波；而PFC电感是既承受大的电流纹波，特别是在CRM或DCM控制模式的时候；同时还承受大的直流偏磁。

大家在对开关电源中磁性电感元器件进行设计的时候，一定要根据不同的应用场合和特性来进行设计，否则可能设计出来的产品可能达不到要求。

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