電感器是開關(guān)轉(zhuǎn)換器中非常重要的元器件，如用于儲能及功率濾波器。電感器的種類繁多，例如用于不同的應用（從低頻到高頻），或因鐵芯材料不同而影響電感器的特性等等。用于開關(guān)轉(zhuǎn)換器的電感器屬于高頻的磁性組件，然而因材料、工作條件（如電壓與電流）、環(huán)境溫度等種種因素，所呈現(xiàn)的特性和理論上差異很大。因此在電路設(shè)計時，除了電感值這個基本參數(shù)外，仍須考慮電感器的阻抗與交流電阻和頻率的關(guān)系、鐵芯損失及飽和電流特性等等。本文將介紹幾種重要的電感鐵芯材料及其特性，也引導電源工程師選擇市售標準的電感器。 前言 電感器（inductor）是一種電磁感應組件，用絕緣的導線在繞線支架（bobbin）或鐵芯（core）上繞制一定匝數(shù)的線圈（coil）而成，此線圈稱為電感線圈或電感器。根據(jù)電磁感應原理，當線圈與磁場有相對運動，或是線圈通過交流電流產(chǎn)生交變磁場時，會產(chǎn)生感應電壓來抵抗原磁場變化，而此抑制電流變化的特性就稱為電感（inductance）。 電感值的公式如式（1），其與磁導率、繞組匝數(shù)N的平方、及等效磁路截面積Ae成正比，而與等效磁路長度le成反比。電感的種類很多，各適用于不同的應用之中；電感量與線圈繞組的形狀、大小、繞線方式、匝數(shù)、及中間導磁材料的種類等有關(guān)。 電感依鐵芯形狀不同有環(huán)型（toroidal）、E型（E core）及工字鼓型（drum）；依鐵芯材質(zhì)而言，主要有陶瓷芯（ceramic core）及兩大軟磁類，分別是鐵氧體（ferrite）及粉末鐵芯（metallic powder）等。依結(jié)構(gòu)或封裝方式不同有繞線式（wire wound）、多層式（multi-layer）及沖壓式（molded），而繞線式又有非遮蔽式（non-shielded）、加磁膠之半遮蔽式（semi-shielded）及遮蔽式（shielded）等。 電感器在直流電流如同短路，對交流電流則呈現(xiàn)高阻抗，在電路中的基本用途有扼流、濾波、調(diào)諧、儲能等。在開關(guān)轉(zhuǎn)換器的應用中，電感器是最重要的儲能組件，且與輸出電容形成低通濾波器，將輸出電壓漣波變小，因此也在濾波功能上扮演重要角色。 本文將介紹電感器的各種鐵芯材料及其特性，也將介紹一些電感器之電氣特性等，以作為電路設(shè)計時，挑選電感器的重要評價參考。在應用實例中，將透過實際范例介紹如何計算電感值，及如何挑選市售標準的電感器。 鐵芯材料之種類 用于開關(guān)轉(zhuǎn)換器的電感器屬于高頻磁性組件，中心的鐵芯材料最是影響電感器之特性，如阻抗與頻率、電感值與頻率、或鐵芯飽和特性等。以下將介紹幾種常見的鐵芯材料及其飽和特性之比較，以作為選擇功率電感的重要參考： 1. 陶瓷芯 陶瓷芯是常見的電感材料之一，主要是用來提供線圈繞制時所使用的支撐結(jié)構(gòu)，又被稱為「空芯電感」（air core inductor）。因所使用的鐵芯為非導磁材料，具有非常低的溫度系數(shù)，在操作溫度范圍中電感值非常穩(wěn)定。然而由于以非導磁材料為介質(zhì)，電感量非常低，并不是很適合電源轉(zhuǎn)換器的應用。 2. 鐵氧體 一般高頻電感所用的鐵氧體鐵芯是含有鎳鋅（NiZn）或錳鋅（MnZn）之鐵氧體化合物，屬于矯頑磁力（coercivity）低的軟磁類鐵磁材料。圖1為一般磁鐵芯之磁滯曲線（B-H loop），磁性材料的矯頑磁力HC亦稱為保磁力，系指當磁性材料已磁化到磁飽和后，使其磁化強度（magnetization）減為零時所需的磁場強度。矯頑力較低代表抵抗退磁能力較低，也意味著磁滯損失較小。 錳鋅及鎳鋅鐵氧體具有較高的相對磁導率（relative permeability；μr），分別為約1500～15000及100～1000，其高導磁特性使得鐵芯在一定體積下可有較高的電感量。然而，缺點是其可耐受的飽和電流較低，且鐵芯一旦飽和，磁導率會急遽下降，可參考圖4所示鐵氧體與粉末鐵芯在鐵芯飽和時磁導率下降趨勢的比較。當用于功率電感時，會在主磁路留氣隙（air gap），可降低磁導率、避免飽和及儲存較多能量；含有氣隙時的等效相對磁導率約可在20-200之間。由于材料本身的高電阻率可降低渦電流（eddy current）造成的損耗，因此在高頻時損失較低，較適用于高頻變壓器、EMI濾波電感及電源轉(zhuǎn)換器的儲能電感。以操作頻率而言鎳鋅鐵氧體適合用在（＞1 MHz），而錳鋅鐵氧體適用于較低的頻段（<2 MHz）。 圖1、磁鐵芯之磁滯曲線（BR：剩磁；BSAT：飽和磁通密度） 3. 粉末鐵芯 粉末鐵芯亦屬于軟磁類鐵磁材料，是由不同材料的鐵粉合金或只有鐵粉所制成，配方中有顆粒大小不同的非導磁材料，因此飽和曲線較為緩和。粉末鐵芯多以環(huán)型（toroidal）呈現(xiàn)居多，如圖2所示為粉末鐵芯及其截面圖。 圖2、粉末鐵芯之截面圖 常見的粉末鐵芯有鐵鎳鉬合金（MPP）、鐵硅鋁合金（Sendust）、鐵鎳合金（high flux）及鐵粉芯（iron powder）等。因所含成分不同，其特性及價格也有所不同，因而影響電感器的選擇。以下將分別介紹前述之鐵芯種類并比較其特性： A. 鐵鎳鉬合金（MPP） 鐵鎳鉬合金簡稱MPP，是molypermalloy powder的縮寫，相對磁導率約14～500，飽和磁通密度約7500高斯（Gauss），比鐵氧體的飽和磁通密度（約4000～5000高斯）高出許多。MPP具有最小的鐵損，在粉末鐵芯中，溫度穩(wěn)定性最好。當外加直流電流達飽和電流ISAT時，電感值緩慢降低，不會急劇衰減。MPP的性能較佳，但成本較高，通常作為電源轉(zhuǎn)換器之功率電感及EMI濾波之用。 B. 鐵硅鋁合金 (Sendust) 鐵硅鋁合金鐵芯是由鐵、硅、及鋁組成之合金鐵芯，相對磁導率約26～125。鐵損介于鐵粉芯與MPP及鐵鎳合金之間。飽和磁通密度比MPP高，約10500高斯。溫度穩(wěn)定性及飽和電流特性比MPP及鐵鎳合金稍微遜色，但較鐵粉芯及鐵氧體鐵芯為佳，相對成本較MPP及鐵鎳合金便宜。多應用于EMI濾波、功因修正（PFC）電路及開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器之功率電感。 C. 鐵鎳合金（high flux） 鐵鎳合金鐵芯是由鐵及鎳組合而成，相對磁導率約14～200，鐵損及溫度穩(wěn)定性均介于MPP及鐵硅鋁合金之間。鐵鎳合金鐵芯的飽和磁通密度最高，約15000高斯，且可耐受直流偏置電流較高，其直流偏置特性也較好。應用范圍有功因修正、儲能電感、濾波電感、返馳式轉(zhuǎn)換器之高頻變壓器等。 D. 鐵粉芯（iron powder） 鐵粉芯是由顆粒非常小、彼此間絕緣的高純度鐵粉顆粒制成，制作過程使其具有分布式的氣隙。常見的鐵粉芯之形狀除了環(huán)型外，尚有E型及沖壓式。鐵粉芯之相對磁導率約10～75，約15000高斯之高飽和磁通密度。在粉末鐵芯中，鐵粉芯的鐵損最高，但成本最低。 表1粉末鐵芯特性之比較 表1列出了以上四種粉末鐵芯之比較。以實際應用而言，其中之鐵硅鋁合金的特性在各方面均不錯，相對成本低，具有高性價比，因此常被用于EMI濾波電感。 圖3所示為TDK所制之PC47錳鋅鐵氧體與MICROMETALS所制之鐵粉芯-52及-2的B-H曲線；錳鋅鐵氧體的相對磁導率遠高于鐵粉芯，飽和磁通密度也相差很多，鐵氧體約5000高斯而鐵粉芯大于10000高斯以上。 圖3、錳鋅鐵氧體與不同材質(zhì)鐵粉芯的B-H曲線 綜合上述，鐵芯飽和特性各有不同；一旦超過飽和電流，鐵氧體鐵芯的磁導率會陡降，而鐵粉芯則可緩慢降低。圖4所示即為具有相同磁導率的粉末鐵芯與有氣隙的鐵氧體在不同磁場強度下的磁導下降特性。這也解釋了鐵氧體鐵芯電感，因磁導率在鐵芯飽和時驟降，由式（1）可知，也造成電感量驟降；而有分布式氣隙的粉末鐵芯，磁導率在鐵芯飽和時是緩慢下降，因此電感量也降低得比較緩和，即有較好的直流偏置特性。在電源轉(zhuǎn)換器的應用中，此特性很重要；若電感的緩飽和特性不佳時，電感電流上升到達飽和電流，電感量突降會造成開關(guān)晶體的電流應力突升，容易造成損壞。 圖4、粉末鐵芯與有氣隙的鐵氧體鐵芯在不同磁場強度下的磁導下降特性 電感器之電氣特性及封裝結(jié)構(gòu) 在設(shè)計開關(guān)轉(zhuǎn)換器并挑選電感器時，電感值L、阻抗Z、交流電阻ACR與Q值（quality factor）、額定電流IDC與ISAT、以及鐵芯損失（core loss）等等重要的電氣特性都必須考慮。此外，電感器的封裝結(jié)構(gòu)會影響漏磁大小，進而影響EMI。以下將分別探討上述之特性，以作為選擇電感器之考慮。 1. 電感值（L） 電感器之電感值在電路設(shè)計時為最重要的基本參數(shù)，但必須看在工作頻率下此電感值是否穩(wěn)定。電感的標稱值通常是在沒有外加直流偏置的條件下，以100 kHz或1 MHz所量得。且為確保大量自動化生產(chǎn)的可能性，電感之容差值（tolerance）通常是 ±20%（M）與±30%（N）居多。圖5為利用Wayne Kerr的LCR表量測Taiyo Yuden 電感NR4018T220M之電感－頻率特性圖，如圖所示，在5 MHz之前電感值的曲線較為平坦，電感值幾乎可視為常數(shù)。在高頻段因寄生電容與電感所產(chǎn)生的諧振，電感值會上升，此諧振頻率稱為自我諧振頻率（self-resonant frequency；SRF），通常需遠高于工作頻率。 圖5、Taiyo Yuden NR4018T220M電感-頻率特性之量測圖