高频LLC谐振变换器20µH 漏感具体设计案例及软磁磁芯选择分析

原创 磁性元器达人 磁性元件达人 2026年1月10日 12:00 江西 

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基于 LLC谐振变换器 应用的 20µH 漏感变压器具体设计案例。采用“分段骨架强制漏感”的设计思路，这是工业界最常用且能精确控制漏感的方法。

�� 案例：用于300W 电源适配器的 LLC 变压器
1. 设计规格书 (Specification)
参数   数值   备注
拓扑结构   LLC 谐振变换器   半桥结构
谐振频率 (f_r)=100 kHz   目标频率
谐振电感 (L_r)=20 µH   即我们需要的漏感值
励磁电感 (L_m)=80 µH   满载时的励磁电感
匝数比 (n) 9:1  Np:Ns = 360/2/20：1=9：1

输入电压 (V_{in})=400 V DC   母线电压
输出电压 (V_{out})=20 V DC
最大输出电流   15 A

2. 磁芯与骨架选择
*   磁芯材质： PC95 (或同等规格的高性能锰锌铁氧体)
       理由： 适合 100kHz 频率，低损耗。
   磁芯规格： PQ32/30

Ae=1.61cm^2，Aw=1.39cm^2

Np=400/2X0.85/（4XAeXΔBXf）

=200X0.85X（4X1.61x10^-4X0.15X100

X10^3）=18T

       理由： 窗口面积足够大，能容纳分段绕组。
   骨架 (Bobbin)：三分段骨架 (Partition Bobbin)
       关键点： 我们将使用中间的槽位作为空槽（Dummy Slot），不绕线，专门用来产生漏感。

3. 绕组结构设计 (关键步骤)
为了确保漏感精确达到 20µH，我们采用物理隔离法。
绕组层 / 位置  / 内容 /  说明
Layer1 /骨架左侧/ 初级绕组 (Np1)/9T (匝)
Layer2 /骨架右侧 /初级绕组 (Np2)/9T (匝)
Layer3/ 骨架右侧 /次级绕组 (Ns) /2T (匝)
中间槽   空槽 (Air Gap)   不绕线   这是产生 20µH 漏感的关键
连接方式： Np1 和 Np2 串联，形成总共 18匝的初级。
* 绝缘： 初级和次级之间使用三层绝缘线或加套管，满足安规耐压。

4. 如何实现 20µH 漏感？
在这个设计中，漏感的大小主要由中间空槽的宽度决定。
4.1.  原理： 磁力线要从左侧的初级绕组耦合到右侧的次级绕组，必须“跨过”中间的空槽。由于空气的磁导率极低，这段路径形成了巨大的磁阻，从而产生了集中的漏感。
4.2.  计算与调整：
 经验公式估算： 漏感与绕组间距的平方成正比。
调整策略：
 如果你手头的样品漏感只有 10µH，说明耦合太紧。你需要增加中间空槽的宽度（例如，调整骨架设计或在中间贴绝缘胶带加厚）。
如果漏感达到 30µH，说明耦合太松，你可以适当减小空槽宽度。

5. 工艺与制作要点
5.1.  气隙处理： 虽然漏感由结构产生，但励磁电感 (L_m = 80µH) 仍需通过在磁芯中柱磨气隙来实现。使用研磨机在中柱打磨出约 0.3mm - 0.5mm 的气隙（具体数值需根据磁芯 AL 值计算）。
5.2.  绕线工艺：
    初级使用 AWG #28 多股绞线，以减少趋肤效应。
    次级电流较大，使用 AWG #18 或铜箔，以降低直流电阻。
5.3.  浸锡/点胶： 绕制完成后，必须对引脚进行浸锡或点胶固定，防止因振动导致匝间短路或电感量漂移。

6. 测试与验证
6.1.  测试工具：使用 LCR 电桥 (如 Keysight E4980A)。
6.2.  测试条件：
       频率：100 kHz。
       电压：0.5 Vrms。
6.3.  测试步骤：
    步骤 A： 将次级绕组短路，测量初级绕组的电感量。
   结果： 此时测得的电感量即为漏感 (Leakage Inductance)。调整结构直到读数为 20µH±10%。
    步骤 B： 将次级绕组开路，测量初级绕组的电感量。
   结果： 此时测得的电感量为励磁电感 (Magnetizing Inductance)应约为 80µH。
为 20µH 漏感选择磁芯材料，实际上是在为7.LLC谐振变换器的谐振电感（L_r）选材。

选择材料时，需要在高频损耗、饱和磁通密度和工艺可控性之间做权衡。

7.1 首选推荐：铁氧体（Ferrite）—— 适合高频、高Q值

对于工作在 100kHz 以上的 LLC 电路，锰锌铁氧体（Mn-Zn）通常是首选。

*   推荐材质： PC40、PC44、PC95（TDK标准）或等效的国产材料（如R2KB, N27等）。

*   为什么选它？

    *高频低损耗： 铁氧体电阻率极高，涡流损耗极低，非常适合 LLC 的高频工作环境（>50kHz）。

    *易于引入气隙： 20µH 的电感量通常需要一个较大的气隙（Gap）。铁氧体磁芯（如 EE、PQ、RM 型）的中心柱可以进行精确研磨，从而精确控制电感量。

    *成本低： 制造工艺成熟，成本可控。

*缺点：

    *饱和磁密低： 仅约 0.3T - 0.5T。如果 20µH 承受的电流较大，铁氧体很容易饱和，导致感量骤降。

    *温度敏感： 性能随温度变化较大，且居里温度相对较低。

7.2适用场景： 电流应力不大（例如峰值电流 100kHz）的 LLC 谐振电感。

�� 备选方案：铁粉芯 / 铁硅铝（Powdered Iron / Sendust）—— 适合大电流

如果你的 20µH 漏感需要通过很大的直流偏置电流，或者你发现铁氧体磁芯总是饱和，那么需要选择金属磁粉芯。

*   推荐材质：

    * 铁硅铝（Sendust）： 综合性能好，损耗比纯铁粉芯低。

    * 高通量合金粉芯（High Flux）： 饱和特性极好，但价格昂贵。

    * XFlux / Kool Mμ（特定品牌系列）： 专为高直流偏置设计。

*   为什么选它？

    *  抗饱和能力强： 饱和磁通密度高达 1.0T - 1.5T。它天生就具有分布式气隙（粉末颗粒间的绝缘），非常适合储能和抗大电流。

    *  稳定性好： 电感量随电流变化较平缓，不容易发生突变。

* 缺点：

    *高频损耗大： 在高频下（>200kHz），磁芯损耗（发热）会显著高于铁氧体。

    * 成本较高： 尤其是铁镍钼（MPP）或高通量材料，价格昂贵。

7.3适用场景： 低频（ 5A-10A）的工况。

前沿方案非晶/纳米晶

（Amorphous/Nanocrystalline）—— 极致性能

结合最新的技术发展（如2025年的研究进展），非晶和纳米晶材料正在成为高频高效电源的新宠。

*   推荐材质： 铁基纳米晶。

*   为什么选它？

    *兼具高 Bs 和低损耗： 它既有接近金属的高饱和磁密（~1.2T），又因为材料极薄而具有极低的涡流损耗。

    * 高频特性优异： 在 100kHz 以上频段，其损耗远低于铁氧体和铁粉芯。

*   缺点：

    * 脆： 机械强度差，容易碎裂，对封装工艺要求极高。

    * 贵： 成本高于铁氧体。

    *加工难： 不像铁氧体那样容易磨气隙。

适用场景： 高功率密度、高效率、高频率的高端电源设计。

8. 决策对比表

为了帮你做决定，我总结了以下对比表：

材料类型//典型材质∥ 优势∥劣势∥推荐用于 20µH 漏感的条件

铁氧体∥ PC40, PC95∥高频损耗极低，易加工气隙，便宜 ∥  易饱和 (Bs低)∥温度敏感   高频、中小电流 (最常见选择)

铁硅铝/铁粉芯∥Sendust, Kool Mμ∥极难饱和，耐大电流，分布式气隙∥ 高频损耗大，体积相对小 ∥  低频、大电流 (铁氧体饱和时选用)

纳米晶∥ 环形纳米晶 ∥高频低损，高 Bs，温度稳定性好∥ 脆，贵，难加工∥ 高端、高功率密度 设计

9 最终建议

针对你的 20µH 漏感设计：

1.  绝大多数情况： 请选择 铁氧体（如 PQ35/35，材质 PC44/PC95）。

    *   理由： LLC 通常工作在高频，且 20µH 的电感量不算小。使用铁氧体可以通过磨气隙精确控制电感量，且高频损耗最小。只要计算好匝数，避免直流偏置饱和即可。

2.  如果遇到以下问题：

    *电感在满载时发热严重（铁损大） -> 考虑纳米晶。

    *电感在电流稍大时感量掉得厉害（饱和） -> 考虑铁硅铝或铁粉芯。

3.  关于“漏感”的特殊提示：

    *   如果你是想在变压器中直接做出 20µH 的漏感，铁氧体是唯一可行的方案。因为铁粉芯是分布式气隙，很难做出精确的、大数值的“漏感”，它更倾向于做一个“励磁电感”。做变压器漏感时，通过在初级和次级之间垫绝缘胶带（增加物理间距）来控制 20µH 是标准做法。

10.�� 总结
在通过三分段骨架的物理隔离来“硬性”制造出 20µH 的漏感。
*   优点： 一致性好，易于批量生产，漏感值稳定。
*   注意： 由于中间有大空槽，变压器的窗口利用率降低了，且散射磁场较大，建议在变压器外围包一层铜箔（接初级地）来屏蔽 EMI 辐射。