功率電感：利用新材料和製造技術獲得更高效能

在電子電路中的三種被動元件中 (電阻、電容、電感)，電感的原理可能最奇怪。電感現象是在 1830 年代由麥可·法拉第發現，他發現磁場變化會感應出電流；約瑟·亨利也獨立研究了「自感現象」，即導體自身會感應出電流。

在人們還不瞭解電磁學之前，光是將導線繞成線圈就能改變其電氣特性，本身就是一個謎。在無線電發展的早期，DIY 愛好者會將數十圈導線繞在一根僅幾英寸長的桿子或紙管上，製成調諧線圈電感，製作晶體收音機。

電感的線路圖符號是根據其物理外觀繪製 (圖 1)。 電感選項包括空芯電感、鐵芯電感、可變電感。

圖 1：電感 (右) 最初是將導線纏繞在空心或鐵芯上製成；圖中顯示對應的線路圖符號 (左)。(圖片來源：Hackatronic.com)

電感是導體的一種特性，其產生的磁場，會傾向於阻抗流經其中電流的變化。因此，電感有時被稱為扼流圈，因為它們會「扼止」電流的變化。電感 (L)、電壓 (V)、電流 (I) 的變化之間的關係可以用一個簡單的方程式表示：V = L (dI/dt)。

雖然繞線式電感仍然受到廣泛使用，但並不適合現今的許多電路。此電感可能體積過大、無法提供所需的值、表現出不良的寄生效應、直流電阻 (DCR) 過高，並且在較高頻率下效能下降等。與早期 DIY 無線電愛好者的時代相比，現在可以買到現成的、尺寸小於 1 mm²，適合 RF 應用的繞線電感。

用於功率轉換的現代電感

雖然電感已經取得長足的進步，但即使是改良後的繞線式電感，其效能和尺寸也無法滿足現代電路的需求。現代功率電感是一款精密元件，經過精心建模，並針對一次側和二次側參數進行全面定義，其屬性針對不同應用的優先順序經過最佳化。

此外，供應商已開發新材料，可滿足切換式功率拓撲的不同需求，例如單端初級電感轉換器 (SEPIC)、Cuk (以其發明者 Slobodan Ćuk 為名) 以及各種升降壓配置。

大多數採用先進的鐵氧體和粉末基底材料，並精心打造其特性。這些電感具有極低的直流電阻 (DCR)，能明顯提高電感的 Q 值 (電感效能的標準效能指數之一)，以及較低的電感滾降。後者衡量的是隨著直流電流增加，由於磁芯飽和，實際電感如何減少或「滾降」，這與濾波器的響應隨頻率滾降特性有些類似。

電源供應器中使用的電感通常也必須具有相對較高的電流處理能力，通常達到數十安培。此參數並非由單一值定義，而是由多個值定義，例如均方根 (RMS) 電流 (I_rms)、峰值電流 (I_peak)、飽和電流 (I_sat)。供應商提供具有不同電流額定值和其他頂級參數組合的電感，以滿足各種拓撲結構的優先需求。

供應商還開發先進的材料和表面黏著技術 (SMT) (圖 2)；這些材料和技術能夠耐受相關的熱，而不會折損效能或可靠性。屏蔽型有助於將敏感應用中的 RF 干擾 (RFI) 問題降至最低。

圖 2：高功率 SMT 電感現在提供多種小尺寸款式，效能毫不遜色。(圖片來源：Eaton)

Eaton-Electronics Division 的 HCM/HPAL 壓模電感系列展現這些轉換器最佳化電感之間的特點和差異。這兩個系列都採用先進的電感材料，以提升耐用性、承載高電流並降低電磁干擾，同時其模製結構可在各種電流額定值範圍內達到平順的電感滾降。

HCM 和 HPAL 系列元件提供多種尺寸，體積同樣也較小。

為達到可靠性和穩健性，HCM/HPAL 元件的額定工作溫度為 -55°C 至 125°C (環境溫度加上自體溫升)，並且包含防鏽劑，有助於防止因潮濕環境 (濕度敏感等級 (MSL) 1) 而導致表面生鏽。

HCM 系列採用先進的壓製鐵粉，具有優異的 I_sat，如兩個代表性零件 HCM0503V2-R68-R 和 HCM0503V2-4R7-R 所示。HCM0503V2-R68-R 是 680 nH、8 mΩ DCR 的非屏蔽電感，工作頻率最高可達 1 MHz。其尺寸僅 5.7 × 5.4 × 3.0 mm，額定電流為 10 A (I_rms)/12 A (I_sat)。HCM0503V2-4R7-R 採用相同的封裝尺寸，但可提供更高的電感值。這是一款 4.7 µH、47 mΩ 的非屏蔽式元件，額定電流為 4.1 A (I_rms)/6 A (I_sat)。

相較之下，HPAL 電感使用合金粉末，達到更低的直流電阻和更高的 I_rms，同時保持較低的磁芯損耗。此系列電感的電感值範圍介於 0.15 μH 到 10 μH，電流範圍介於 4.5 A 到 40 A，均包含電磁屏蔽 (EMI)，這在一些應用中是一項關鍵特性。範例元件包含 HPAL1V0630-R47-R，此電感為 470 nH、4.1 mΩ，額定電流為 18 A (I_rms) 和 20 A (I_sat)；HPAL1V0630-8R2-R，此電感為 8.2 µH、55 mΩ，額定電流為 5 A (I_rms) 和 5.5 A (I_sat)。

圖 3 的圖表顯示 HPAL1V0630-8R2-R 電感的標稱電感、直流電流、溫度之間的滾降關係。

圖 3：HPAL1V0630-8R2-R 電感的滾降及相關行為特性。(圖片來源：Eaton)

結論

現今的電感採用先進的材料、製造技術、封裝方法，相較於前代的繞線式電感有極大的進步。新型電感採用小型 SMT 封裝，提供高密度，並具有低電阻及寬廣的電感和電流額定值，並且包含許多其他複雜、高效能、高效率、緊湊型電源供應器和轉換器所需的屬性。