判断电感饱和的几个小诀窍~

eefocus_3949667

在电力电子、电机控制等领域，电感是一个非常重要的元件，它可以存储能量并限制电流的变化。然而，当电流过大时，电感会进入饱和状态，导致其磁通量不再增加，从而影响电路的性能。因此，正确地判断电感饱和对于电路设计和稳定运行具有重要意义。带大家了解电感饱和的原理、影响因素和判断方法。

电感饱和的原因
先直观的认识下什么是电感饱和，如图1:

图1

我们知道当图1线圈中通过电流时，线圈会产生磁场；磁芯在磁场的作用下会被磁化，其内部磁畴会慢慢旋转；当磁芯被完全磁化时，磁畴方向全部和磁场一致，即使再增加外磁场，磁芯也没有可以旋转的磁畴了，此时的电感就进入了饱和状态。


从另一个角度来看，如图2所示的磁化曲线，磁通密度B与磁场强度H之间满足图2中右侧公式：


当磁通密度达到Bm时，磁通密度不再随磁场强度的增大而大幅度增大，此时电感达到饱和。




由电感与磁导率µ的关系式可知：


当电感饱和后，µ会大幅度减小，最终导致电感量大幅降低，失去抑制电流的能力。

图2

判断电感饱和的诀窍
在实际应用中有没有判断电感饱和的诀窍呢？可以总结为两大类：理论计算和实验测试 —— 理论计算可从最大磁通密度和最大电感电流入手；实验测试主要关注电感电流波形和一些其他初步判断方法。

下面就一一介绍这些方法。


计算磁通密度
此方法适用于利用磁芯来设计电感的场景。磁芯参数包括磁路长度le，有效面积Ae等。磁芯的型号还决定了相应的磁材牌号，磁材对磁芯损耗，饱和磁通密度等做了相应规定。

有了这些材料，我们就能根据实际设计情况来计算最大磁通密度，公式如下：

实际中可简化计算，用ui来代替ur；最后与磁材饱和磁通密度相比较，就能判断设计的电感是否有饱和的风险。


计算最大电感电流
此方法适用于直接利用成品电感来设计电路。


不同的电路拓扑对电感电流计算有不同的公式。以Buck芯片MP2145为例，可以按照如下公式计算，将计算结果与电感规格值相比较就能判断电感是否会饱和。

通过电感电流波形判断
此方法也是工程实际中最常见和最实用的的方法。还是以MP2145为例，使用MPSmart仿真工具进行仿真，从仿真波形可以知道，当电感没有饱和时，电感电流是一个斜率一定的三角波，当电感饱和时电感电流波形会有一个明显畸变，这是由于饱和后感量降低造成的。

我们在工程实际中就可以基于此观察电感电流波形是否存在畸变，来判断电感是否饱和。


下面是在MP2145 Demo板上实测波形，可以看到饱和后有明显的畸变，与仿真结果一致。

测量电感是否异常升温，听是否有异常啸叫
在工程实际中还有很多情况，我们可能不能准确知道磁芯型号，也很难知道电感饱和电流大小，有时候也不能方便的测试电感电流；这时候我们还可以通过测量电感是否有异常温升，或者听是否有异常啸叫等手段来初步判断是否发生了饱和。

阅读全文