升压电感中的磁芯气隙仿真优化设计方法

随着新能源汽车向高压化，电池的大容量化发展，广泛应用了升压电感。在升压电感磁芯气隙设计过程中，经常会遇到大气隙分段设置的问题。气隙设置不合理会导致线圈交流损耗变大，引起局部过热，影响升压电感使用寿命和整机效率。

单个气隙开多大，气隙如何分段，气隙位置放在哪里效果最佳，这些问题一直困扰升压电感开发工程师。针对此问题，我们采用AnsysMaxwell仿真软件对升压电感实际应用的大功率电感进行了多方面的分析计算，并对结果进行了研究总结，结合仿真软件应注意哪些要点，以实现高效、准确的设计优化。现整理成报告分享给大家。

以下PFC的工作原理图。其中升压电感L就是本文的研究对象。

其工作原理主要是基于电磁感应和电感储能特性。开关导通时，电感储能，电流渐升；开关关断，电感产生反向高感应电动势，与电源电压叠加，实现升压，再经电容滤波储能，为负载提供稳定的高于电源的输出电压，从而完成升压过程。升压电感在纯电动车和混合动力车种都发挥着重要作用，是新能源汽车中不可或缺的组件。

本文已在中国第11届功率变换器磁性元器件联合学术年会中发表。旨在探讨电动汽车用升压电感的磁芯气隙设计及其仿真优化，分析气隙大小、分布对电感性能的影响，并提出合理的设计建议，以期为电动汽车电感器的设计工程师提供理论依据和实践指导。

01 GAP（磁芯气隙）与d（线圈到磁芯间距）关系

在电感器设计中，GAP（气隙）和d（线圈到磁芯间距）是两个重要的参数，它们之间的关系可以从磁场和电感量的计算角度来理解。

气隙（GAP）是磁芯中主要用于调节磁芯的磁导率和饱和特性。气隙的大小会影响磁芯的ACR和感量。气隙越大，ACR越大，感量越小。

线圈到磁芯的间距d 主要影响磁力线切割线圈面积的大小，被切割的面积越大，线圈通过的电流就越小，线圈的温升就越高，直至烧机、炸机。

气隙（GAP）主要是为了增加磁芯内部的磁阻，使电感量减小，但较大的气隙（GAP）会让磁力线对线圈的切割变得严重，涡流损耗增大；而较大的线圈到磁芯间距d则会减弱磁力线对线圈的切割影响，降低涡流损耗。

在实际设计中，需要在气隙和线圈到磁芯间距之间找到平衡。气隙（GAP）过大会导致线圈涡流损耗增加，影响升压电感的传递效率；线圈到磁芯间距d过大则会增大体积，增加成本，d过小则线圈会被磁力线切割到。

下面是相同的线圈到磁芯的间距d=1.8mm,研究GAP的大小仿真结果案例：

气隙大小仿真结果

不同气隙值对线圈性能的影响

为了更深入地了解气隙对线圈性能的影响，通过进一步地分析发现，当气隙等于d的三分之一时较为理想，此时气隙位置的线圈内壁磁通密度漏磁处最低，可降至0.02T。

02 升压电感磁芯气隙如何分段

磁芯气隙分段通过将单一气隙分割为多个小气隙，旨在降低漏磁、减少涡流效应、提高热稳定性、精确控制电感量、降低损耗，并满足小型化和高性能需求。

气隙分段原则为一是单个GAP大小不宜超过线圈到磁芯间距d的1/2（一般取单个GAP≈d/3）；二是气隙在线圈内部均匀分布，即气隙大小一致，间隔一致。

升压电感气隙如何分段？

本文分享200A 升压电感为例，分析不同的气隙方案对电感线圈损耗的影响：

可立克的实际应用案例：电流为200A，电感为120μH，纹波峰峰值为80A。在设计过程中，选用了NPV材料作为铁芯，并通过计算确定最终匝数为37匝。

在设计中，重点研究了气隙的布置对损耗的影响。具体而言，分别对一个气隙、两个气隙、三个气隙、四个气隙和五个气隙的情况进行了分析，主要关注磁芯损耗、线圈损耗以及ACR（交流电阻）。

通过多次仿真发现，随着气隙数量的增加，损耗逐渐降低。当气隙数量达到五个时，系统的损耗达到最低值。这一结果为升压电感的设计优化提供了重要依据。

随后，可立克团队开展了更为深入的气隙分段研究。当分别将气隙设置为 6 个气隙、8 个气隙、10 个气隙时，交流损耗并未出现显著降低。由此可以得出结论：就生产需求及成本控制而言，设置 5 个气隙即可满足要求。

值得一提的是，对于变压器和电感设计而言，ACR是一个非常重要的参数，ACR 是指电感器在交流电路中表现出的电阻特性。理论上电感的损耗不仅直流电阻DCR带来的直流损耗，重点还有ACR交流阻抗的损耗，包含导致磁芯产生涡流损耗、因趋肤效应和邻近效应等产生的损耗，这些共同构成了交流电抗ACR的损耗。

03 如何设置最佳气隙位置

如前文所述，5个气隙是较为理想的配置，但5个气隙在哪个位置，需要进一步地研究。

第一个图是把磁芯做成U形的，第二个图在U型磁芯的基础上加了5毫米的转折；第三、第四、第五个磁芯分别在增加了10毫米、15毫米、20毫米的转折。

气隙最佳位置实验过程

经反复探究，发现U型转折尺寸为24毫米时损耗达到最优状态。基于此，对相关数据进行总结，梳理出气隙分段的段数、最优气隙大小与 ACR 值之间的关系。

气隙与U型转折尺寸的关系

气隙位置对于线圈损耗影响很大。

气隙位置设置合理分布均匀，不合理的气隙位置，或者分布不均匀都将导致线圈损耗变大 。以下是气隙大小和气隙数量一样，但气隙位置各有不同所对应的仿真结果。

气隙不同位置仿真结果

研究结果表明，向内伸进 24毫米时，且摆放位置均匀，见下图，效果最佳。同时，摆放方式对结果影响显著，如图所示，气隙位置等于24毫米时，也就是GAP等于0.5mm*5个，ACR最小。

最佳气隙位置

理想的气隙位置是以各气隙中心为分段线，每一段的磁阻与线圈安匝数成比例关系，而磁环电感最容易满足这种理想的比例关系。

均匀段相关计算

等效磁路长度计算：均匀段等效磁路长度Le = 10.625 + 0.5 * 33.5 = 27.375mm ，其中33.5为带电流叠加后的磁芯磁导率。

匝数及对应比值：对应线圈包围磁芯的匝数是 5 匝，等效磁路长度与匝数的比值为27.375/5 = 5.475 。

串联段相关计算

等效磁路长度计算：串联段等效磁路长度Le = 90 + 0.5 * 33.5 = 106.75mm ，磁导率同样为 33.5。因为此段磁路漏磁较大，磁阻会变小，Le按106.75 * 0.9系数计算约为 96 。

匝数及对应比值：对应线圈包围磁芯的匝数是8.5 * 2 = 17匝，等效磁路长度与匝数的比值为96/17 = 5.647 。

均匀段与串联段基本满足等比关系，这对于确定最佳气隙位置具有重要参考意义。

04铝壳对电感和损耗的影响

在对线圈进行灌胶并加装外壳之后，通过仿真分析，我们观察到线圈的损耗有所下降，然而，外壳本身产生了3.5瓦的额外损耗。

也就是说产品带铝壳（灌封用）后，会产生涡流屏蔽漏磁场，导致漏磁磁阻增大，电感会下降，同时铝壳会产生涡流损耗，由于漏磁一般含量较少，所以总体影响不大。

合理的气息设计需满足以下条件：

1、单个气隙（GAP）应小于线圈到磁芯的距离（d）的一半，一般取GAP约为d的三分之一。

2、多段气隙应在线圈内部均匀布置，分段越多，线圈损耗越小。（当GAP小于d的一半时，继续多分段减小气隙对于改善线圈损耗效果不明显）

3、确定理想的气隙位置：以各气隙中心为分段线，每一段的磁阻与线圈安匝数成等比例关系。

4、电感带铝壳（灌封）时电感会下降，同时铝壳会产生涡流损耗，但总体影响不大。

以上结论只针对金属粉心（磁导率120以下的磁芯）类电感，其他电感可做参考。

结语

通过仿真研究，我们对电动汽车用升压电感的磁芯气隙设计有了更深入的理解。合理的气隙设计不仅能优化电感性能，降低损耗，还能提高电动汽车的整体能效。未来的研究可以进一步探索不同材料和结构对电感性能的影响，以及如何结合实际应用进行更精细化的设计。

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