一文詳細(xì)解讀電感飽和的物理意義

“電感飽和”這個(gè)詞相信很多人在學(xué)生時(shí)代都學(xué)習(xí)過，但是當(dāng)時(shí)僅限于書本上的概念性知識(shí)和簡(jiǎn)單應(yīng)用，這個(gè)一直聽到的詞匯你究竟理解其含義嗎？除了電流彎曲失真、燒壞器件這些表象，在物理上“飽和”到底是什么意思？今天我們就帶大家一起來看一下這個(gè)電感飽和。

感值、耐溫、飽和電流、尺寸、價(jià)格 —— 這五個(gè)是我們電感選型的基本坐標(biāo)系，當(dāng)然我們還會(huì)考慮線圈和磁心的形態(tài)、磁材、安裝焊接方式。選型過程中最惱火的無過于在數(shù)十個(gè)電感中找到合適的，卻發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)參數(shù)不滿足要求，或者僅僅因?yàn)榘l(fā)生概率極低的峰值功率而導(dǎo)致的飽和電流不足而帶來過大的設(shè)計(jì)裕量。

“感性”的秘密

電感之所以呈現(xiàn)感性，即流過電感的電流會(huì)滯后于施加在電感上的電流（事實(shí)上是滯后 90 度相角）：

因?yàn)槔愦味?，電感就像熊孩子抓住家里的寵物，阻礙寵物的前進(jìn)（電流的變化），你得給熊孩子一些壓力，他先會(huì)不大情愿，然后再讓寵物（電流）走一下（我們充分利用了這個(gè)不聽話的特性來實(shí)現(xiàn)我們扼流 Choke 的目的）；電感又像一個(gè)彈簧，當(dāng)你施加壓力的時(shí)候，它把一部分能量存在自己體內(nèi)，剩下的一部分能量傳輸出去，當(dāng)彈簧被壓縮到極，它沒辦法再存儲(chǔ)更多的能量了，即發(fā)生飽和，所有增加的能量都被悉數(shù)傳遞出去，電感失去了它的滯后作用。

在物理上彈簧這個(gè)例子或許更加恰當(dāng)，就像下面這段在網(wǎng)上找到的教科書般的答案：電子在原子外層繞著數(shù)層軌道旋轉(zhuǎn)，每一層電子旋轉(zhuǎn)都會(huì)依愣次定律產(chǎn)生一微弱的磁場(chǎng)，每一層的磁力不同、方向也不同，但合力為零，沒有磁性。當(dāng)一線圈通電流，同樣的依愣次定律產(chǎn)生一磁場(chǎng)，磁力線穿過磁性材料（鐵心），磁性材料內(nèi)原子的電子旋轉(zhuǎn)軌道開始轉(zhuǎn)向，以抵消線圈產(chǎn)生的磁力線，線圈電流越大，越多磁性材料電子的旋轉(zhuǎn)方向改變，所有磁性材料電子旋轉(zhuǎn)方向都相同時(shí)，就是磁飽和。

電感飽和原因與理論分析

當(dāng)我們?cè)谒须娮由隙集B加一個(gè)共同的旋轉(zhuǎn)方向，就像整齊劃一的軍隊(duì)方陣，它的磁力就達(dá)到了，不能再增加磁力就被成為飽和。這種說明足夠形象，可以定性解釋飽和的概念，但是定性可能并不能讓你滿足，物理的魅力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止在定性分析。

電感飽和的物理意義

當(dāng)我們談?wù)撾姼酗柡偷臅r(shí)候，實(shí)際上是在談?wù)撹F心飽和，空心的電感永遠(yuǎn)不會(huì)飽和。這時(shí)候很直觀的問題就是：為什么不使用空心電感呢？這就必須從電感量的計(jì)算公式說起（這里直接拿出結(jié)論，具體的推導(dǎo)將在下一部分提到）：

式L中是感量，磁導(dǎo)率μ，繞組等效匝數(shù)N，磁路的等效截面積為S，電感線圈等效磁路長(zhǎng)度為?。

顯而易見，要提高感值可以增大分子μ、N、S ，減小分母?。N往往受限于體積（尤其是功率電感的線非常粗，每一匝都會(huì)大大增加體積，且提高N也會(huì)提高）、線阻（發(fā)熱）、寄生電容（尤其是 EMC 電感，寄生電容會(huì)大大削弱其高頻抑制能力）。

在相同 dimensions 下，提高μ幾乎是唯一途徑，空氣的磁導(dǎo)率幾乎等于真空中磁導(dǎo)率μ0，而性能優(yōu)異的磁性材料μ可達(dá)2000μ0，空心電感對(duì)比含有磁心的電感，其感值也會(huì)相差幾千倍。

9種鐵磁性材料表示磁飽和的磁化曲線（1.鋼板 2.硅板 3.鋼鑄件 4.鎢鋼 5.磁鋼 6.鑄鐵 7.鎳 8.鈷 9.磁鐵礦）

“成也蕭何，敗也蕭何?！宝處椭覀儷@得高感值，卻也帶給我們飽和的問題。磁場(chǎng)強(qiáng)度H和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系可以用磁導(dǎo)率表示：

磁性材料的磁導(dǎo)率不是一個(gè)恒定不變的量，而是取決于磁場(chǎng)強(qiáng)度H。在會(huì)發(fā)生磁飽和的金屬中，隨著通過電感的電流增加，相對(duì)磁導(dǎo)率μ隨磁場(chǎng)強(qiáng)度H的增加達(dá)到一個(gè)最大值，然后隨著它的飽和減小，最后會(huì)變?yōu)?，所以相應(yīng)的電感L也趨向空心電感。

換句話說，就是變成了導(dǎo)線，這就是電感飽和的物理意義。電感不會(huì)消失，只會(huì)退化成空心電感。

B-H曲線（在很多教科書里它有另一個(gè)名字：磁滯回線，當(dāng)然，磁滯回線還有另外三個(gè)象限）如下圖所示，在H的右極限處，所有的材料都會(huì)趨向于同一根直線，這就是大自然的物理收斂：

因?yàn)榇棚柡停F磁性材料的磁導(dǎo)率μf會(huì)隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增加，上升到一最大值，之后漸漸下降。

用麥克斯韋方程組計(jì)算一切 —— 一切電磁相關(guān)的物理量，都可以從麥克斯韋方程組得出。電感并不例外：

電感（這里只考慮自感）的物理定義式是：

它描述的是在單位電流變化率：

物理上最撓人的幾個(gè)事實(shí)之一就是，定義式往往不是用來設(shè)計(jì)的公式，針對(duì)后者我們還會(huì)有一個(gè)更常用的計(jì)算公式，下面來推導(dǎo)一下：根據(jù)法拉第定律（麥克斯韋方程之一），感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等于磁通變化率，如果是多匝線圈還需要考慮繞組等效匝數(shù)：

結(jié)合電感定義式，有 ：

兩邊同時(shí)對(duì)時(shí)間積分，可得

審核編輯：湯梓紅