大功率系统的DC-DC转换器电感选择指南

所有电子设备都需要电源，并且能源或电网提供的有功功率永远不会稳定或无噪声。当您需要将电网电源转换为直流电源，或者正在使用波动的直流电源时，您将需要一个DC-DC转换器来进行调节并将输出电压保持在所需的值。

DC-DC转换器中的一个关键组件是输出级上的电感器，DC-DC转换器电感器的选择是成功设计所需的许多重要设计选择之一。开关DC-DC转换器与其他一些组件一起使用电感器进行电压调节。电路中的电感器在不同拓扑中的作用将略有不同，具体取决于系统是升压还是降压。让我们看一下两组常见的拓扑，其中电感器在电路中提供不同的功能，以及如何选择合适的电感器尺寸。

DC-DC转换器电感选择

为DC-DC转换器选择电感器的过程取决于许多参数。根据所涉及的功率水平，这些电感器可能会很大，可能需要针对您的系统进行定制设计。除了所需的占位面积以外，在选择DC-DC转换器电感器时还需要考虑以下规格：

l 额定电流和线圈电阻。线圈本身将具有一定的直流电阻，这将产生热量并降低电感两端的电压。线圈电阻应尽可能低，以防止功率损耗和热量。另外，额定电流将取决于电感器封装的物理尺寸。线绕电感器用于高功率转换器，而箔式电感器可用于低功率转换器。

l 饱和电流。铁氧体电感器将具有一些饱和电流，高于该饱和电流时，电感器磁芯将饱和。这会在下一个开关周期中产生迟滞。应该选择电感器，以使饱和电流大于系统中所需的最大电流。

l 电感与频率的关系。所有组件都有寄生效应。绕组之间的寄生电容和线圈中的电阻会导致系统在高频下产生自谐振。实际上，电感器的自谐振频率通常很高，因此，除非您计划使用具有非常快的边沿速率和〜MHz频率的PWM信号，否则这并不重要。

最后但并非最不重要的是电感值。所需的电感值取决于您使用的拓扑，因为这将决定电感在DC-DC转换器中需要执行的功能。这里应考虑两组DC-DC转换器拓扑：降压/升压/ Cuk /分裂Pi转换器和谐振桥式转换器。

 

降压，升压和Cuk转换器电感选择

降压，升压和降压-升压转换器拓扑以及相关的Cuk和Split-Pi转换器在开关期间激活电路中的功率MOSFET时，都利用电感器来存储能量。每次电感器切换时，流经逆变器的电流开始以与PWM信号的上升/下降时间相似的速率变化，并且电感器将生成反电动势。

这些转换器拓扑在开关过程中利用了电感器中的反电动势，这使得这些转换器拓扑的工作电压较低，因为电感器的作用是双重的：

在切换事件期间存储和释放。每次PWM信号打开和关闭电路中的MOSFET时，PWM信号都会改变方向，最终将电流引向负载并确保直流工作。在这里，正是电感器在不同拓扑结构中的位置将有助于确定系统是在降压还是升压模式下工作。

限制转换器输出上的纹波。电感具有与频率成比例的电抗性，因此在每个PWM开关周期中会产生的纹波波形会在整个电感上大幅下降。这意味着较大的电感器值对衰减高频纹波更有用。

关于此主题的许多应用笔记将帮助您确定用于降压或升压转换器的最佳电感器值。下面显示了一些可用于计算Cuk，boost和buck转换器中电感器值的近似公式。设计人员需要在这些方程式中选择所需的纹波电流值（峰峰值）。如我们所见，更大的电感器将提供更大的阻尼，从而减少系统中的纹波。

 

LLC谐振转换器

在这种类型的转换器中，输出电压/电流通过连接到整流桥的变压器线圈输出，该变压器线圈根据标准变压器匝数比公式修改降低/升高电压/电流的步骤。转换器的初级侧包含一个与电感器和变压器串联的电容器，从而形成LLC电路。LCC电路是该电路的一种变体，其中两个串联和并联电容与转换器的变压器一起使用。请注意，变压器基本上也是电感，因此其线圈会产生一些电感。

在这种开关转换器拓扑中，电感器和变压器的要点是要利用转换器初级侧的一些增益。这是通过在转换器的谐振频率附近驱动转换器中的LLC电路来完成的。通过仔细调节开关信号的频率，可以在原边看到更多或更少的增益，从而将输出电压/电流保持在某个期望值。下图显示了德州仪器（TI）的半桥谐振LLC转换器设计；初级侧的MOSFET被异相驱动，以在初级侧提供所需的开关性能。次级侧的高端和低端MOSFET提供整流，电容器组提供平滑和纹波减小。

电感和初级变压器线圈的总电感需要与电容器一起确定尺寸，以允许初级侧的信号充分利用增益。典型增益值的范围从〜1.1至〜1.5，出现在狭窄的频率范围内。这种转换器通常使用大型电感器（〜10 uH）和变压器（〜100-300 uH初级线圈电感），以使电路的谐振频率接近〜100-200 kHz，这是实际驱动开关DC-DC转换器使用的频率。注意，为了提供平滑的DC驱动，驱动信号的占空比通常保持在50％。

这种类型的转换器中的电感器通常会非常坚固，因为LLC转换器通常用于大功率系统中。这意味着您将需要一个线绕电感器，因为它们非常坚固。这些转换器通常需要定制设计的电感器，变压器或两者，以在转换器的初级侧设置所需的频率范围和增益。