Magnetics 粉芯产品目录·技术章节精译 — 金属粉芯:材料家族、损耗三法、选型流程与拟合公式
原文:Magnetics(Mag-Inc)《Powder Core Catalog》(210 页产品目录)。原文 PDF:
90_资料源/电感磁芯_Magnetics_PowderCoreCatalog.pdf。 本篇只译技术章节(目录自印页码):General Information/Introduction 材料家族(p.9~14)、Material Properties(p.15~16)、Core Identification/Inductance and Grading(p.17~18)、Core Coating(p.19)、Core Selection 选型流程与算例(p.20~22)、Powder Core Loss Calculation 损耗计算三法与三个算例(p.23~27)、Core Selector Charts 依据(p.28)、Permeability vs. DC Bias / Temperature 拟合公式(p.63~65、p.138)。 未译(产品型号表),见原 PDF:Core Locator 按型号索引(p.2~8)、各材料产品页的曲线族与订货页(p.11~14)、Core Selector 图(p.29~45)、Wire Table 线规表(p.46~47)、Permeability vs. DC Bias 曲线族(p.48~63)、Core Loss Density 损耗曲线族(p.66~111)、DC Magnetization 磁化曲线族(p.112~132)、各磁芯数据页(Core Data)、五金件(Hardware)与购买页。 与 04_电感深潜 的“铁氧体气隙 vs 金属粉芯”取舍表、“损耗双项核算”直接配套;铁氧体侧看 02_TDK铁氧体笔记全译。
译注约定(先读)
- 原目录公式在 PDF 中为排版式,pdftotext 提取碎裂,已对照原页转录;“4r”即 4π(OCR 将 π 印作 r),全文径改并在此声明。
- 损耗式 PL = a·Bpk^b·f^c 的单位口径:PL 单位 mW/cm³、Bpk 单位 Tesla、f 单位 kHz(原目录明确)。
- DC 磁化拟合式 B = (a+bH+cH²)^x/(1+dH+eH²) 的分式与指数排布 OCR 存疑——「待核实」以原 PDF 为准(常数表本身数值清晰,照录)。
- 表格均按原 PDF 字符列位核对后转录;曲线族内部刻度以原 PDF 为准。
1. 材料家族一览(Introduction,原目录 p.9~10)
Magnetics 粉芯是分布气隙磁芯。各家族要点(关键数字照录):
- Kool Mµ®:铁合金粉制分布气隙芯,高温低损耗;近零磁致伸缩——滤波电感无可闻噪声的理想选择;高频下磁芯损耗显著低于铁粉芯,温升更低。Bsat = 10 500 gauss(1.05 T),比开气隙铁氧体 E 芯储能能力更强、芯更小;有超大芯型支持特大电流。
- Kool Mµ® MAX:铁-硅-铝合金,DC 偏置性能优于 Kool Mµ、损耗低;与其他合金粉芯一样高温无老化效应(对比铁粉芯的优势)。
- Kool Mµ® Hƒ:分布气隙合金粉,为 200~500 kHz 优化;损耗比 Kool Mµ 低约 35%,中高电流功率电感提效的性价比方案。
- Kool Mµ® Ultra:Magnetics 损耗最低的粉芯材料;DC 偏置优于 Kool Mµ、与 Hƒ 相当,损耗比 Hƒ 再低近 30%。
- XFlux®:6.5% 硅铁粉。损耗低于铁粉芯、DC 偏置优异;软饱和特性对比铁氧体是优势。低中频扼流圈、峰值负载电感量关键的场合理想。
- High DC Bias XFlux®:与标准 XFlux 同样高饱和,DC 偏置最高改善 20%——省匝数、降铜损、省成本。
- XFlux Ultra:同饱和,损耗改善 20%。
- High Flux:50% 镍 50% 铁合金粉环芯,高偏置能力;高功率、高 DC 偏置、高交流激磁幅值应用表现最优。Bsat 为 MPP 的 2 倍、铁氧体的 3 倍以上。
- Edge®:极致性能取向;对比 High Flux 损耗低约 40%、DC 偏置改善 30%。
- High DC Bias Edge®:Magnetics DC 偏置最高的材料,比标准镍铁 Edge 再高最多 20%。
- MPP(钼坡莫合金):81% 镍、17% 铁、2% 钼环芯——损耗极低、Q 最高、温度稳定性最佳;高电阻率、低磁滞/涡流损耗;高直流磁化或高直流偏置后电感稳定性优异,高交流激磁下电感漂移极小。
总述:Magnetics 粉芯是真正的高温材料、无热老化。粉芯最常用于功率电感——开关电源滤波电感(DC 电感/扼流圈),也用于差模电感、boost/buck 电感与反激变压器。最低损耗选 Kool Mµ Ultra/Hƒ/Edge/MPP;DC 偏置主导的最小体积选 Edge/High Flux(磁通容量最高);XFlux/XFlux Ultra 是 High Flux 的低成本替代(可接受其较高损耗与有限磁导率档时);Kool Mµ/MAX 是偏置下经济选择。其他应用:高 Q 滤波、高可靠/高温电感与滤波器、大电流 CT、电信滤波、负载线圈。形状:环型、E、U、EQ、LP、EER、圆柱、方块、圆方块。
2. 应用与材料对比总表(原目录 p.10,全表照录)
| 项目 | Kool Mµ | Kool Mµ MAX | Kool Mµ Hƒ | Kool Mµ Ultra | XFlux | XFlux Ultra | Edge | High Flux | MPP |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 合金成分 | FeSiAl | FeSiAl | FeSiAl | FeSiAl | FeSi | FeSi | FeNi | FeNi | FeNiMo |
| 可用磁导率 | 14-125 | 14-90 | 26-60 | 26-60 | 19-125 | 26, 60 | 14-125 | 14-160 | 14-550 |
| 磁芯损耗 60µ(mW/cm³)50 kHz, 1000 G | 215 | 210 | 120 | 100* | 575 | 450 | 150 | 250 | 165 |
| 磁芯损耗 60µ(mW/cm³)100 kHz, 1000 G | 550 | 550 | 325 | 160* | 1 280 | 1 035 | 375 | 625 | 450 |
| µ vs DC 偏置 60µ(Oe)80% µi | 45 | 65 | 60 | 60 | 100 | 110 | 130* | 100 | 60 |
| µ vs DC 偏置 60µ(Oe)50% µi | 95 | 130 | 115 | 120 | 170 | 180 | 205* | 185 | 105 |
| 60µ 温度稳定性(−60~200 ℃ 典型 % 偏移) | 6% | 3% | 5% | 5% | 4% | 2.5% | 2% | 4.5% | 2.5% |
| 居里温度 | 500 ℃ | 500 ℃ | 500 ℃ | 500 ℃ | 700 ℃ | 700 ℃ | 500 ℃ | 500 ℃ | 460 ℃ |
| 饱和磁通密度(T) | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.6 | 1.6 | 1.5 | 1.5 | 0.8 |
| 频率响应 60µ 平坦至 | 5 MHz | 13 MHz | 16 MHz | 3 MHz | 4 MHz | 2.5 MHz | 15 MHz | 1 MHz | 2 MHz |
| 相对成本 | 1x* | 2x | 2x | 3x | 1.2x | 1.5x | 5x | 4x-6x | 7x-9x |
(*号 = 该行最优选择。)
铁粉芯对照(低价替代家族):磁导率 10~100;损耗最高;DC 偏置特性尚好;温度稳定性一般;温度额定较低;软饱和;零镍含量;成本最低。Kool Mµ 对比铁粉芯的四大优势:①磁芯损耗更低;②无热老化(制造不用有机粘结剂);③近零磁致伸缩(治可闻噪声);④磁导率随交流磁通密度的稳定性更好。
3. 材料特性(Material Properties,原目录 p.15~16)
µ vs T / B / f(典型)——“µ vs T 动态范围”(−50~+100 ℃)、“µ vs B 动态范围”(0~400 mT)、“60µ 平坦至”,全部材料额定 200 ℃(按磁导率逐档全表照录,每材料一行压缩转录):
- Kool Mµ:14µ 0.6% / +0.6% / 20 MHz|26µ 1.2% / +1.1% / 13 MHz|40µ 1.9% / +1.7% / 9 MHz|60µ 2.9% / +2.5% / 5 MHz|75µ 3.7% / +3.1% / 4 MHz|90µ 4.4% / +3.8% / 3 MHz|125µ 6.2% / +5.2% / 2 MHz
- Kool Mµ MAX:14µ 0.3% / +0.9% / 27 MHz|19µ 0.4% / +1.3% / 25 MHz|26µ 0.6% / +1.7% / 22 MHz|40µ 0.9% / +2.7% / 18 MHz|60µ 1.3% / +4.0% / 13 MHz|75µ 1.5% / +5.5% / 8 MHz
- Kool Mµ Hƒ:26µ 0.8% / +0.8% / 23 MHz|40µ 2.0% / +1.25% / 31 MHz|60µ 2.5% / +1.8% / 16 MHz
- Kool Mµ Ultra:26µ 0.14% / +5.0% / 3 MHz|40µ 0.08% / −2.0% / 3.5 MHz|60µ 0.4% / +3.0% / 3 MHz
- XFlux:19µ 0.5% / +7.1% / 6 MHz|26µ 1.1% / +10.2% / 5 MHz|40µ 2.0% / +13.2% / 4 MHz|60µ 3.0% / +16.3% / 4 MHz|75µ 3.7% / +20.3% / 2 MHz|90µ 4.5% / +24.4% / 2 MHz|125µ 6.2% / +28.5% / 1 MHz
- XFlux Ultra:26µ 1.3% / +1.0% / 3 MHz|60µ 0.7% / +6.0% / 2.5 MHz
- Edge:26µ 0.9% / +0.8% / 22 MHz|60µ 1.2% / +1.9% / 15 MHz|75µ 1.5% / +0.2% / 10 MHz|90µ 1.6% / +0.3% / 5 MHz|125µ 2.0% / +0.5% / 2 MHz
- High Flux:14µ 1.5% / +5.0% / 3 MHz|26µ 2.0% / +9.0% / 1.5 MHz|60µ 2.6% / +13.5% / 1 MHz|125µ 3.6% / +19.0% / 700 kHz|147µ 4.8% / +22.0% / 500 kHz|160µ 5.5% / +25.0% / 400 kHz
- MPP:14µ 0.7% / +0.4% / 4 MHz|26µ 0.9% / +0.4% / 3 MHz|60µ 1.0% / +0.8% / 2 MHz|125µ 1.3% / +1.4% / 300 kHz|147/160/173µ 1.5% / +1.9% / 200 kHz|200µ 1.6% / +2.8% / 100 kHz|300µ 1.6% / +4.5% / 90 kHz|550µ 8.7% / +21.0% / 20 kHz
(读法:XFlux/High Flux 的“µ 随 B 上升”最猛(+13~+28%)——高 B 时磁导率不降反升;MPP/Edge 全档最平。)
居里温度 / 密度 / 热膨胀系数(60µ 密度):Kool Mµ 500 ℃ / 5.8 g/cm³ / 10.8×10⁻⁶/℃;Kool Mµ MAX 500 ℃ / 6.5 / 10.8;Kool Mµ Hƒ 500 ℃ / 6.0 / 10.8;Kool Mµ Ultra 500 ℃ / 6.0 / 10.8;XFlux 700 ℃ / 6.9 / 11.6;XFlux Ultra 700 ℃ / 7.1 / 11.6;Edge 500 ℃ / 7.8 / 5.8;High Flux 500 ℃ / 7.6 / 5.8;MPP 460 ℃ / 7.8 / 12.9。
磁芯重量:其他磁导率的密度按 60µ 密度 × 系数——14µ 85%、19µ 89%、26µ 91%、40µ 96%、60µ 100%、75µ 102%、90µ 103%、125µ 105%、147/160/173µ 106%、200/300µ 107%、550µ 108%。
单位换算:A.T/cm = 奥斯特 ×0.795;奥斯特 = A.T/cm ×1.26;tesla = gauss ×0.0001;gauss = tesla ×10 000;gauss = mT ×10;cm² = in² ×6.452;cm² = 圆密尔 ×5.07×10⁻⁶。
4. 电感量与分级(Inductance and Grading,原目录 p.17~18)
测量值 vs 计算值:目录对每个磁芯给出 AL(单位 nH/T²,方块芯在标准 picture frame 下测)。标称计算电感:
$$L_N = A_L \cdot N^2 \cdot 10^{-3}\ (\mu H) \qquad \text{(AL 单位 nH/T²)}$$
Magnetics 的电感标准在 Kelsall 磁导计杯中测量;杯外实测电感因漏磁通与绕组电流产生的磁通而大于标称计算值——偏差与芯尺寸、磁导率、涂层厚度、线径/匝数及绕法有关:磁导率高于 125 且匝数 >500 时可忽略;磁导率/匝数越低越显著(例:C055930A2,125µ,1000 匝 +0.0%、100 匝 +3%、25 匝 +9%)。
漏感加项(按历史测试数据回归,均匀绕组假设,偏差可达 ±50%):
$$L_{LK} = 0.292\,N^{1.065}\cdot\frac{A_e}{l_e}\ (\mu H) \qquad \text{(Ae 单位 mm²,le 单位 mm)}$$
原文算例:C055930A2(Ae=65.4 mm²,le=63.5 mm),AL=157 nH/T²,25 匝 → LN = 157×25²×10⁻³ = 98.1 µH;漏感加项 LLK = 0.292×25^1.065×(65.4/63.5) = 9.3 µH → 估计实测 L = LN + LLK = 107 µH。
公差与分级:粉芯按 ±8% 电感公差精密制造(Kelsall 杯 + 精密电桥);OD <12.7 mm 的 Kool Mµ 公差更宽。C0 前缀的 MPP 与 High Flux(OD >4.65 mm)分级到 2% 电感带;OD ≤4.65 mm 的 C0 MPP 分级到 5% 带——高匝数紧公差电感可省调匝工序。分级标印(Grade Stamped ±8 → 实际偏差带与匝数偏差带对照,全表照录):+8→+8~+7(匝 −4.0~−3.5);+6→+7~+5(−3.5~−2.5);+4→+5~+3(−2.5~−1.5);+2→+3~+1(−1.5~−0.5);0→+1~−1(−0.5~+0.5);−2→−1~−3(+0.5~+1.5);−4→−3~−5(+1.5~+2.5);−6→−5~−7(+2.5~+3.5);−8→−7~−8(+3.5~+4.0)。
5. 磁芯涂层与温度稳定(Core Coating,原目录 p.19)
环芯涂环氧涂层——坚韧、蜡封、防潮防化学、介电性能优异;OD ≤16.5 mm 也可涂 Parylene-C(AY)。
| 材料 | 颜色 | 涂层代码 |
|---|---|---|
| Kool Mµ / MAX / Hƒ / Ultra | 黑 | A7、A9 |
| XFlux / XFlux Ultra / High DC Bias XFlux | 棕 | A7、A9 |
| High Flux | 卡其 | A2、A9 |
| Edge / High DC Bias Edge | 绿 | A2、A9 |
| MPP | 灰 | A2、A9 |
击穿电压(线-线):A2 = 2000 VAC min(High Flux、Edge、MPP)、A7 = 2000 VAC min(Kool Mµ 全家、XFlux 全家)、AY = 600 VAC min、A9 = 8000 VAC min。A2/A7 按尺寸分档:OD ≤4.65 mm 1000 VAC;4.65<OD<17.27 mm 1250 VAC;17.27≤OD<26.92 mm 2000 VAC;OD ≥26.92 mm 3000 VAC。测试:两片加压金属网夹持(10 psi,模拟绕线压力),60 Hz RMS 电压 1.25×保证值抽检;A2/A7 样品(26.9 mm 及以上)测到 3750 V min,AY 样品 750 V min。可用 ≥4.65 mm 磁芯定制更高耐压涂层。
AY(Parylene):内径收缩最小(表面不如环氧光滑);目录全部成品尺寸按环氧(A2/A7)标注,AY 涂层的最大 OD/HT 各减 0.18 mm、最小 ID 加 0.18 mm。环氧涂层最高稳态工作温度 200 ℃;Parylene 130 ℃(可短时到 200 ℃,如过波峰焊)。粉芯高温运行不影响磁性能;Magnetics 粉芯材料可 200 ℃ 连续运行、无老化无损伤。
MPP 温度稳定化:标准 MPP 电感温度系数小幅为正(合金 µ-T 特性 + 分布气隙的热膨胀响应)。受控稳定化 W4/M4(靠合金化学调整,涂层本身无关):规定温度范围内电感几乎零温度系数——W4:−55~+85 ℃、最大 0.50%;M4:−65~+125 ℃、最大 0.50%(M4 满足 W4 并可替代 W4)。判定例:2 mT/10 kHz 下测 −55~+85 ℃ 各温度点,最高与最低电感差 ≤25 ℃ 值的 0.50%。稳定化芯的平坦特性只在低驱动(<10 mT)下成立——功率扼流圈用稳定化芯没有收益;W4/M4 成本高于标准稳定化芯。
6. 电感磁芯选型流程(Core Selection,原目录 p.20~21)
限流电感(current-limited inductor)选芯只需两个已知量:带直流偏置所需的电感量 L(mH)与直流电流 I(A)。
- 算 LI²(mH·A²)。
- 在 Core Selector 图(p.29~45)横轴定位 LI²,垂直上交第一条位于磁导率对角线上方的芯尺寸线——即可用最小芯。
- 磁导率线按标准档分段;选图上所列磁导率——AL 与 DC 偏置的最佳折衷。
- 算匝数并迭代: (a) 从磁芯数据页取 AL(nH/T²),用最坏负公差(一般 −8%)算最小 AL;所需匝数 $$N = \sqrt{\frac{L\cdot10^3}{A_L}} \qquad \text{(L 单位 µH)}$$ (b) 算偏置场强(奥斯特): $$H = \frac{4\pi N I}{l_e} \qquad \text{(le 单位 mm)}$$ (c) 从 µ vs DC 偏置曲线(p.48~63)或其拟合式读出该偏置下初始磁导率的跌落百分比; (d) 所需电感 × 跌落百分比 = 带偏置电感; (e) 初始匝数 ÷ 跌落百分比 = 新匝数(保证步骤 (b)(c)(d) 迭代后带偏置电感贴近目标); (f) 按需重复 (b)(c)(d) 微调。
- 选线径(Wire Table p.46~47):占空比 <100% 可用细线、绕组因子可低,但芯尺寸不能因此缩小。
- 设计核查:(a) 绕组因子(p.22);(b) 铜损(p.22);(c) 磁芯损耗(p.23~27)——若交流损耗发热过大/效率过低,设计变成“损耗限制”而非“偏置限制”,对策:换大芯或低磁导率芯压低交流磁通密度,或换低损耗材料(Kool Mµ→MPP/Kool Mµ MAX;XFlux→High Flux);(d) 温升。温升没有精确普适公式,静止空气中近似: $$T(\,^{\circ}\mathrm{C}) = \left(\frac{\text{总损耗 (mW)}}{\text{器件表面积 (cm}^2\text{)}}\right)^{0.833}$$ 绕到 40% 填充的芯表面积随磁芯数据给出。
选型算例(原文全录):要求带偏置最小电感 0.6 mH(600 µH)、DC 5.0 A。 ① LI² = 0.6×5.0² = 15.0 mH·A²;② 查 Kool Mµ 环芯 LI² 图(p.29)→ 选 0077083A7;③ 该芯 AL = 81 nH/T² ±8% → 最小 AL = 74.5 nH/T²;④ L=AL·N² → 空载 600 µH 需 90 匝。带载偏置 H = 4π×90×5.0/le = 57.5 Oe → 查 60µ Kool Mµ 曲线(p.48)得 72% 初始磁导率 → 调整匝数 90/0.72 = 125 匝;⑤ 以 125 匝重算偏置 79.8 Oe → 曲线读 58%;⑥ 最小 AL 74.5×0.58 = 有效 AL 43.2 nH/T² → 125 匝带 79.8 Oe 偏置时电感 = 125²×43.2×10⁻³ = 675 µH(最小值)——要求满足;⑦ 线表:500 A/cm² 电流密度下 5.0 A 需 17 AWG(1.177 mm²)→ 125 匝共 147.1 mm²,窗口 427 mm² → 绕组因子约 35%——可制造的设计。
7. 绕组因子与铜损(原目录 p.22)
绕组因子(填充因子) = 导体总截面(通常按铜)÷ 磁芯窗口面积;环芯 = N·AW/WA(N 匝数、AW 单线截面、WA 窗口面积)。环芯绕组因子 20~60%,许多应用典型 35~40%。实用绕法四档:单层(匝数受内圆周/线径限制;电容小、寄生可重复、散热好、成本低;功率承载低、漏磁多);低填充(单层~30%,制造易、电容低);满绕(30~45%,空间利用与制造成本的合理折衷);高填充(可到约 65%,但常需特殊昂贵手段——残留孔过小后手工补绕)。
MLT 与 DCR:先按芯/线规/匝数算绕组因子,在线规表查该线规单位长度电阻,在磁芯数据页 Winding Turn Length 图上(必要时插值)查 MLT(平均匝长)→ DCR = MLT × N ×(Ω/Length);单层绕组的 MLT 即数据页 0% 填充值,单层 DCR 也可直接查绕组表。
线损:DC 铜损直接 I²R(铝线用铝表;并计入电阻随温度的上升)。大纹波、高频率下 AC 铜损可观——但计算不直接,通常只能估算。
8. 粉芯损耗计算(Powder Core Loss Calculation,原目录 p.23~27)
磁芯损耗由材料内交变磁通场产生(没有磁材料的磁响应是完美高效的)。损耗密度 PL 是交流磁通摆幅之半(Bpk = ½ΔB)与频率 f 的函数,可查损耗曲线或用曲线拟合式:
$$P_L = a \cdot B_{pk}^{\,b} \cdot f^{\,c} \qquad \text{(PL: mW/cm³;Bpk: T;f: kHz)}$$
a、b、c 为曲线拟合常数(各材料各磁导率档的常数表随曲线族给出,p.66~111;如 60µ Kool Mµ:a=44.3、b=1.988、c=1.541)。损耗计算的任务就是从已知设计参数求出 Bpk——三种方法:
方法 1:从直流磁化曲线求 Bpk = f(H)
先算交流两端点的磁场强度(IDC 为直流电流、I 为交流峰-峰的一半——即纹波峰-峰值的一半):
$$H_{AC\,max} = \frac{4\pi N\,(I_{DC} + I/2)}{l_e} \qquad H_{AC\,min} = \frac{4\pi N\,(I_{DC} - I/2)}{l_e}$$
再从 BH 曲线或拟合式(p.112~132)读出 B_AC max、B_AC min,则:
$$B_{pk} = \frac{B_{AC\,max} - B_{AC\,min}}{2}$$
算例 1(交流为直流的 10%):20 匝绕在 Kool Mµ 0077894A7(60µ,le=63.5 mm,Ae=65.4 mm²,AL=75 nH/T²),电流 20 A DC + 2 A p-p @100 kHz。① H_AC max = 4π×20×(20+1)/63.5 = 83.1 Oe → B_AC max = 0.404 T;H_AC min = 75.2 Oe → B_AC min = 0.377 T;Bpk = (0.404−0.377)/2 = 0.014 T。② PL = 44.3×0.014^1.988×100^1.541 = 11.0 mW/cm³。③ 磁芯损耗 Pfe = PL×(le/10)×(Ae/100) = 11.0×6.35×0.654 ≈ 46 mW。
算例 2(交流为直流的 40%):同一 20 匝电感、同 20 A DC,纹波 8 A p-p @100 kHz。H_AC max = 95.0 Oe → B_AC max = 0.441 T;H_AC min = 63.3 Oe → B_AC min = 0.331 T;Bpk = 0.055 T → PL = 168 mW/cm³ → Pfe = 698 mW。
算例 3(纯交流、无直流):同一 20 匝电感、0 A DC、8 A p-p @100 kHz。H_AC max = +15.8 Oe → B_AC max = 0.092 T;H_AC min = −15.8 Oe → B_AC min = −0.092 T;Bpk = 0.092 T → PL = 466 mW/cm³ → Pfe = 1.94 W。
[译注:曲线拟合式对 B 的负值无效——对 |B| 求值后反转 H 的符号(原文注明)。]
原文要点:①磁芯损耗只来自交流激磁——直流偏置本身无论多大都不产生磁芯损耗;②对比算例 3 与算例 2:直流偏置显著影响磁芯损耗——偏置把工作点压到 BH 曲线低斜率段,同样纹波下 Bpk 更小;③低磁导率同样降低 Bpk(纹波不变时)——可用直流偏置实现,也可直接选低磁导率材料。
方法 2:小 H 时从带偏置有效磁导率近似 Bpk = f(µe, H)
BH 曲线瞬时斜率 = 绝对磁导率 = µ0(4π×10⁻⁷)× 材料 µ(沿曲线变化)。小交流激励下斜率可视为常数,用直流偏置点的有效磁导率 µe 近似:dB/dH = µ0·µe,故
$$B_{pk} = (0.5)\cdot\mu_0\cdot(\%\mu_i)\cdot\mu_i\cdot\frac{1000\,H}{4} \qquad \text{(H 为交流半摆幅的场强,Oe;1000 为 Oe 到 SI 的单位换算因子)}$$
其中 %µi(初始磁导率的百分比)由 DC 偏置曲线或拟合式给出。复算例 1:HDC = 4π×20×20/63.5 = 79.2 Oe → 拟合式 %µi = 0.58,µi = 60;H(交流) = 4π×20×2/63.5 = 7.9 Oe → Bpk = 0.5×(4π×10⁻⁷)×0.58×60×1000×7.9/4 = 0.014 T(与方法 1 一致)。复算例 2:H = 31.7 Oe → 0.055 T(一致)。复算例 3:HDC=0 → %µi = 1.0 → 0.095 T(vs 方法 1 的 0.092 T——小信号近似在无偏置时略偏高)。
方法 3:小 H 时从带偏置电感求 Bpk = f(L, I)
由法拉第定律 V = N·Ae·dB/dt = L·dI/dt,可得 B 与 L 的关系(L 随 I 非线性;小交流下斜率视为常数,用带偏置电感 LDC 近似):
$$B_{pk} = \frac{L_{DC}\cdot I}{2\,N\,A_e} \qquad \text{(I 为交流峰-峰的一半)}$$
复算例 1:Lnoload = AL·N² = 75 nH/T²×20² = 30 µH;LDC(20A) = %µi×Lnoload = 0.58×30 = 17.4 µH → Bpk = 17.4×10⁻⁶×1 / (2×20×65.4×10⁻⁶) = 0.013 T(vs 方法 1 的 0.014 T、方法 2 的 0.014 T)。复算例 2:→ 0.053 T(vs 0.055/0.055)。复算例 3:LDC = Lnoload = 30 µH → 0.092 T(vs 0.092/0.095)。
三法互校后,用损耗曲线或拟合式查 PL(方法 1 与 2 的差异见原目录 p.27 图——方法 2 把 BH 曲线局部斜率线性化,偏置越深两者越接近)。
9. 选芯图的使用边界(Core Selector Charts,原目录 p.28)
选芯图是“DC 偏置应用下最优磁导率与最小芯尺寸”的快速指南,其隐含前提:偏置下磁导率(电感)跌幅 ≤50%;典型绕组因子环芯 40%、E/U 芯 60%、EQ 芯 75%(螺旋管圈假设);交流电流相对直流很小;电流密度按材料 400~1000 A/cm²(Kool Mµ/Hƒ/Ultra/MPP 400,MAX/XFlux/XFlux Ultra/High Flux/Edge 600)。
反向提醒(原文原话精神):若为大交流电流(相对直流)选芯——反激电感、buck/boost 电感——往往需要更大的芯来限制交流磁通造成的磁芯损耗:设计变成“损耗限制”而非“偏置限制”。加大功率的另一途径是叠芯:功率按比例增加——C055908A2 双叠后功率承载翻倍到约 400 mH·A²;加高芯型可订制。
10. 拟合公式集(原目录 p.63~65、p.138)
磁导率 vs DC 偏置(全材料全磁导率档系数表见 p.63~65):
$$\%\,\mu_i = \frac{1}{a + b\,H^{\,c}} \qquad \text{(H 单位 Oe;仅曲线所示范围有效)}$$
60µ 档系数(环芯,照录):
| 材料 60µ | a | b | c |
|---|---|---|---|
| Kool Mµ | 0.01 | 2.142E-06 | 1.855 |
| Kool Mµ MAX | 0.01 | 5.917E-07 | 2.000 |
| Kool Mµ Ultra | 0.01 | 6.944E-07 | 2.000 |
| XFlux | 0.01 | 1.489E-08 | 2.613 |
| Edge | 0.01 | 9.202E-10 | 3.044 |
| High Flux | 0.01 | 6.413E-08 | 2.291 |
| MPP | 0.01 | 1.165E-07 | 2.436 |
(读法:c 越大跌得越晚——Edge 的 c=3.044 意味着低偏置段几乎不跌,这正是“DC 偏置最优”的数学面。)
磁通密度 vs 磁场(DC 磁化曲线):B = (a + bH + cH²)^x / (1 + dH + eH²)(B 单位 T、H 单位 Oe)——「待核实」指数排布以原 PDF 为准。系数例(High DC Bias XFlux,照录):26µ a=6.175E-02、b=1.035E-02、c=1.920E-04、d=4.322E-02、e=1.167E-04、x=1.778;40µ a=6.362E-02、b=1.000E-02、c=2.079E-04、d=3.212E-02、e=1.276E-04、x=1.648;60µ a=6.481E-02、b=1.000E-02、c=2.277E-04、d=2.431E-02、e=1.361E-04、x=1.496。
磁导率 vs 温度(p.138,全材料系数表见原页):
$$\frac{\mu_T - \mu_{25\,^{\circ}\mathrm{C}}}{\mu_{25\,^{\circ}\mathrm{C}}} = a + bT + cT^2 + dT^3 + eT^4$$
系数例(Kool Mµ,照录):14µ a=−1.892E-03、b=9.866E-05、c=−1.966E-06、d=5.728E-09、e=−8.706E-14;60µ a=−5.590E-03、b=3.495E-04、c=−6.822E-06、d=2.772E-08、e=−3.192E-11;125µ a=−1.082E-02、b=7.039E-04、c=−1.368E-05、d=5.880E-08、e=−7.690E-11。
译者附注(全库视角)
- 三法一张表(本篇 §8 的记忆锚点):同一只 20 匝/60µ Kool Mµ/le·Ae 63.5×65.4 mm 电感 @100 kHz——纹波 2 A p-p(带 20 A 偏置)Bpk=0.014 T→46 mW;纹波 8 A p-p(带 20 A 偏置)Bpk=0.055 T→698 mW;纹波 8 A p-p(无偏置)Bpk=0.092 T→1.94 W。直流偏置不产损耗,但把 Bpk 压小 40 倍级——粉芯扼流圈“偏置即降压”的设计逻辑源头。
- “损耗限制 vs 偏置限制”判据(§9):纹波小(滤波/扼流)→ 按 LI² 选芯即可;纹波大(反激/boost/buck、CrM PFC)→ 先估 Bpk 查 PL,磁芯损耗可能先把芯顶到上限。这正是 04_电感深潜 §5 PFC 算例的出发点。
- OCR/转写存疑点:①DC 磁化拟合式的分式/指数排布「待核实」;②方法 2 公式中的 1000/4 单位因子按原文代入例反推核对(0.5×4π×10⁻⁷×0.58×60×1000×7.9/4 = 0.014 T 与原文一致);③损耗曲线族/磁化曲线族内部刻度以原 PDF 为准;④“High DC Bias XFlux 26µ 损耗拟合常数 a=443.53、b=2.015、c=1.312”与“Edge 26µ a=83.23、b=2.106、c=1.520”照录自材料页,其余材料常数表在曲线族页(未转录,见原 PDF p.66~111)。
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