全新双绕组屏蔽功率电感系列结构设计及解决方案

引言

在现代电子设备中，功率电感作为重要的无源元件，广泛应用于开关电源、DC-DC转换器及其他电力电子设备中。随着电子设备功率密度的不断增加，对功率电感的性能要求也随之提升。

为了满足这些需求，本文提出了一种全新双绕组屏蔽功率电感的结构设计及相关解决方案，该设计能够有效降低电感在工作过程中产生的电磁干扰，提高效率，并优化散热性能。

一、双绕组电感的基本原理

双绕组电感是由两个或多个线圈通过磁芯耦合在一起的电感器件。通过电流在两个线圈中的相互作用，电感能够在电流变化时提供更大的存储能量，特别适用于高频和高功率应用。

在此设计中，采用了绕组间的相位对称布置，这种结构能够在一定程度上抵消由电流变化引起的磁场干扰，从而降低电磁辐射。

二、屏蔽结构的设计

屏蔽能够有效减少电磁干扰和降低漏磁通，进而提高电感的可靠性和稳定性。我们采用了一种多层屏蔽的设计，具体包括：

1. 外部屏蔽罩：采用导电材料制造的外壳，能够有效屏蔽外部电磁干扰，同时防止内部磁场的泄漏。

2. 内部屏蔽层：在双绕组之间增加一个中间屏蔽层，采用铁氧体材料，以增强磁路，优化耦合效应，并降低绕组之间的干扰。

3. 多层绝缘材料：为保护绕组不受到机械损伤，同时保证其绝缘性能，选用多层绝缘材料，确保在高频、高电压条件下依然保持稳定性。

三、绕组设计优化

绕组的设计直接关系到电感的性能和效率。针对双绕组电感的特点，我们在绕组设计中进行了以下优化：

1. 绕组配置：采用相位对称的布局设计，以降低多绕组间的相互干扰，并提高整体电感值。同时，绕组线圈的交错设计能够有效地分布电流，降低直流电阻，提升效率。

2. 通线数目与截面积：根据工作频率与电流特性，合理设计绕组的通线数目和截面积，以确保优良的电气性能和良好的散热性。通过计算，确定最佳的线径，避免因过热导致的损耗和性能降低。

3. 自感与互感的平衡：通过控制绕组间的距离和绕制方式，确保自感与互感达到最佳平衡，这样不仅能够提升电感值，也能够有效降低EMI影响。

四、散热解决方案

在高频与高功率应用中，功率电感的散热性能十分关键。为提升散热效率，本设计考虑了以下方案：

1. 充足的散热面积：增加电感体的外表面积配合良好的散热材料，利用自然对流和辐射散热原理，确保电感在高负载运行时依然保持低温。

2. 采用导热材料：选择具有良好导热性能的材料，将电感与PCB上的散热片相连，快速将热量传导出去。同时，导热材料的使用也能在一定程度上降低电感的温升。

3. 主动散热方案：在特殊工作环境下，可以考虑采用微型风扇等主动散热措施，加快空气流动，提升散热效率。

五、测量与测试标准

为了验证新设计的双绕组屏蔽功率电感的性能，需要建立一系列测量与测试标准。基于IEC和UL等国际标准要求，分别进行以下方面的测试：

1. 电感值测量：在不同频率下测量电感器的电感值，确保其符合设计规范。

2. 电阻测试：检测DC电阻（DCR），保证其在规定范围内，以防止因电阻过大导致的过热问题。

3. EMI测试：进行电磁干扰测试，确保产品符合相关EMI标准，减少对周边电子设备的影响。

4. 热性能测试：在不同工作条件下进行温升测试，监测其工作的稳态和瞬态热性能，以保证电感的可靠性和使用寿命。

参考文献

[1] J. Smith, "High-Efficiency High-Power Inductors," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 32, no. 5, pp. 400-410, 2017. [2] C. Zhang, "Advancements in Inductor Design for Power Electronics," Journal of Electronics, vol. 30, no. 4, pp. 233-245, 2020. [3] R. Liu, "Magnetic Shielding Techniques for Power Inductors," Journal of Magnetism and Magnetic Materials, vol. 484, pp. 254-261, 2019.