磁性元件及高頻變壓器設(shè)計(jì)

1、.磁性元件及高頻變壓器設(shè)計(jì)成繼勛 2009.12.31（2011.3.22修改）1 磁性材料的磁化1.1 磁化曲線 在外磁場(chǎng)（或電流）的作用下，磁性材料被磁化，磁化曲線如圖 圖1.1 圖1.2 在交變磁場(chǎng)的作用下，形成磁滯回線。 （1.1）H-磁場(chǎng)強(qiáng)度，SI單位制A/m；CGS制：Oe（奧斯特），1A/m=410-3OeB-磁通密度（磁感應(yīng)強(qiáng)度，磁化強(qiáng)度）SI單位制：T（Tesla特斯拉）；CGS制：Gs（高斯），1T=104Gs-磁導(dǎo)率，H/m（亨利/米）；0-真空磁導(dǎo)率，SI單位制中0= 410-7H/m，CGS制中0=1。r-相對(duì)磁導(dǎo)率，無(wú)量綱在均勻磁場(chǎng)中 （1.2）-磁通量，SI單位制

2、：Wb（韋，韋伯）；CGS制：Mx（麥，麥克斯韋）1Wb=10-8MxS-面積，SI單位制：m2; CGS制：cm2Hs稱飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度，Hc稱矯頑力 Bs飽和磁通密度，Br剩余磁通密度（剩磁）1.2 幾個(gè)磁導(dǎo)率的概念（1）初始磁導(dǎo)率 （2）最大磁導(dǎo)率m：磁化曲線上m的最大值（3）增量磁導(dǎo)率(脈沖磁導(dǎo)率) 圖1.3即在具有直流偏置磁場(chǎng)時(shí)，再加上一個(gè)交流磁場(chǎng)，這時(shí)測(cè)得的磁導(dǎo)率。（4）幅值磁導(dǎo)率 a沒(méi)有直流偏置時(shí)，交變磁場(chǎng)強(qiáng)度的幅值與磁通密度幅值的關(guān)系稱為幅值磁導(dǎo)率a（5）有效磁導(dǎo)率e在磁路中存在氣隙，即非閉合磁路條件下，測(cè)得的磁導(dǎo)率為有效磁導(dǎo)率1.3 安培環(huán)路定律 圖1.4 圖1.5 （1.3）對(duì)

3、繞N匝線，電流為I的磁環(huán) （1.4）式中，l=2r為磁路長(zhǎng)度，H為磁芯中的磁場(chǎng)強(qiáng)度為 （1.5） （1.6）稱為磁（動(dòng)）勢(shì)，單位A，常稱為安匝。1.4 磁路1.4.1磁路歐姆定律 （1.7）或 （1.8） （1.9）Rm稱為磁阻，（1.8）式稱為磁路歐姆定律 電路磁路電動(dòng)勢(shì) E磁（動(dòng)）勢(shì) F電流 I磁通量 電阻 磁阻 電導(dǎo) 磁導(dǎo) 電壓降 磁壓降 電路歐姆定律 磁路歐姆定律 1.4.2有氣隙的磁路 氣隙磁阻 S圖1.6 式中，S為氣隙截面積，設(shè)等于磁芯有效截面積。為氣隙長(zhǎng)度。設(shè)磁芯有效磁路長(zhǎng)度為lc，則磁芯內(nèi)磁阻 總磁阻 磁導(dǎo) 有效（相對(duì)）磁導(dǎo)率為 （1.10）如果 rlc/，則 （1.11）1

4、.5 磁芯材料性質(zhì)與參數(shù) 磁芯材料主要參數(shù)有初始磁導(dǎo)率、飽和磁通密度、剩磁、矯頑力、損耗、電阻率、居里溫度、初始磁導(dǎo)率比溫度系數(shù)、比損耗因子和功率損耗、初始磁導(dǎo)率減落因子和比減落因子（表示i 經(jīng)磁擾動(dòng)或機(jī)械沖擊后的經(jīng)時(shí)變化）等。1.5.1初始磁導(dǎo)率與頻率的關(guān)系 圖1.71.5.2 初始磁導(dǎo)率與溫度的關(guān)系初始磁導(dǎo)率溫度系數(shù)和比溫度系數(shù)表征初始磁導(dǎo)率與溫度的關(guān)系。居里溫度是磁性材料從鐵磁性(亞鐵磁性)到順磁性的轉(zhuǎn)變溫度，或稱磁性消失溫度，表示方式有多種。天通材料標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的確定居里溫度的方法如下圖： 圖1.8 圖1.8a TP4的溫度特性1.5.3 飽和磁通密度與溫度的關(guān)系隨著溫度升高，飽和磁通密

5、度降低，下圖為TP4材料 圖1.91.5.4 磁芯損耗損耗角正切（損耗因子）tgm表示磁芯損耗與磁芯儲(chǔ)能之比。磁芯損耗包括：磁滯損耗渦流損耗剩余損耗（主要由磁后效引起，與粒子的擴(kuò)散有關(guān)）。磁滯在低場(chǎng)下可以不予考慮，渦流在低頻下也可忽略，剩下的就是剩余損耗。在低頻弱場(chǎng)下，可用三者的代數(shù)和表示：tgm=tgh+tg f+tgr。在磁感應(yīng)強(qiáng)度較高或工作頻率較高時(shí)，各種損耗互相影響難于分開(kāi)。故在涉及磁損耗大小時(shí)，應(yīng)注明工作頻率f 以及對(duì)應(yīng)的Bm（磁通密度幅值）值。剩余損耗和Bm的大小無(wú)關(guān)，但隨頻率增大而增大。而磁滯損耗隨B的增加增大，渦流損耗則和頻率成線性變化。在大信號(hào)場(chǎng)工作時(shí)，用單位體積的功率損耗（

6、比損耗）表示，總比損耗 Pcv=Ph+Pf+Pr隨磁通密度、工作頻率和溫度而變。低頻時(shí) Pcv = fBm1.6 在數(shù)十KHz1MHz時(shí) Pcv = fBm式中損耗系數(shù)；f工作頻率；Bm磁芯磁通密度幅值；、為大于1的指數(shù)。下圖為TDG公司TP4材料的損耗特性： 圖1.10 和磁通密度及工作頻率的關(guān)系（80和100） 圖1.11 和溫度的關(guān)系1.6 鐵氧體材料類型選擇磁芯最主要的是：工作頻率、工作溫度范圍、飽和磁通密度、磁導(dǎo)率、損耗開(kāi)關(guān)電源中的電感和變壓器工作頻率為數(shù)十KHz1MHz，磁芯材料選錳鋅MnZn軟磁鐵氧體，牌號(hào)各公司不同。我國(guó)天通控股公司（TDG）部分MnZn材料特性如下表TDG牌號(hào)

7、TP1TP4TP4ATP4STP5對(duì)應(yīng)TDK牌號(hào)PC40PC44PC50使用頻率范圍200KHz200KHz300KHz300KHz500K1MHz特點(diǎn)較低Pcv，高Bs低Pcv，高Bs低Pcv，高Bs低Pcv，高Bs用于高頻段低耗溫度點(diǎn)6070909010011080i （25）380025%230025%240025%200025%140025%Bs（25）mT4870Bs（100）mT3480Pcv(kW/m3) 25100kHz 200mT150（25kHz）650600650130(500kHz 50mT)Pcv(kW/m3) 100100kHz 200mT180（25kHz）410

8、30030080(500kHz 50mT)Pcv(kW/m3) 120100kHz 200mT5(601MHz 50mT)500(1001MHz 50mT)2 電磁感應(yīng)2.1 法拉第定律與楞次定律 (2.1)式中=N稱為磁鏈。當(dāng)線圈內(nèi)的磁通量變化時(shí)，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。楞次定律指出了電動(dòng)勢(shì)的方向：它總是使感生電流產(chǎn)生的磁通阻止原磁通的變化。楞次定律又稱磁場(chǎng)慣性定律。 圖2.12.2 自感 磁鏈與產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流成正比 (2.2)定義 當(dāng)線圈內(nèi)電流變化引起磁通變化，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。（2.2）代入（2.1），得 （2.3）稱自感電動(dòng)勢(shì)，故L稱為自感系數(shù)，又稱電感量，簡(jiǎn)稱電感。自感電動(dòng)勢(shì)的方向總是阻止電流

9、的變化2.3 電磁能量關(guān)系磁場(chǎng)儲(chǔ)存的能量為 （2.4）V為磁芯體積。電感儲(chǔ)存的能量為 （2.5） 2.4 變壓器 圖2.2見(jiàn)圖2.3，空載時(shí)，變壓器初級(jí)加電壓u1，產(chǎn)生電流i1，磁通11，11中一部分12與次級(jí)匝鏈，稱主磁通。一部分1s不與次級(jí)匝鏈，稱為漏磁通。12在次級(jí)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2，空載時(shí)等于次級(jí)電壓u2。 圖2.3 （2.6） i1m為勵(lì)磁電流，L1為勵(lì)磁電感，Ls稱漏感。忽略漏磁通和線圈電阻，有 （2.7） （2.8）所以有 （2.9）次級(jí)加負(fù)載時(shí)，產(chǎn)生電流i2，i2產(chǎn)生與12相位相反的磁通2（去磁）使12下降，從而e1下降，由于輸入電壓u1未變，于是i1增大，12增大，最終維持1

10、2和e1不變。磁勢(shì)平衡： （2.10a）或者 （2.10b） 初級(jí)電流產(chǎn)生的磁勢(shì)一部分平衡次級(jí)電流產(chǎn)生的去磁磁勢(shì)，一部分維持勵(lì)磁電流。2.5 恒頻交流激勵(lì)的變壓器（1）正弦波激勵(lì)時(shí) （2.11）忽略漏感和電阻，由（2.7）有效值 即 （2.12） 注意，這里B的變化范圍是2Bm，式中S為磁芯截面積。（2）矩形波激勵(lì)時(shí)設(shè)電壓幅值為U1，脈沖寬度為，周期為T，占空比為D=/T，變壓器磁芯磁通密度在時(shí)間內(nèi)變化范圍為B，則 （2.13）U1稱變壓器的伏秒積（容量），表征變壓器初級(jí)能承受U1電壓的時(shí)間。超過(guò)這個(gè)時(shí)間，磁芯飽和。在相同的電壓作用下，U1越大，磁芯內(nèi)磁通密度越低。因?yàn)?DT，所以 （2.14

11、）特例，交流方波激勵(lì)時(shí)，D=0.5，B=2Bm，則 （2.15）（2.12）(2.15)是計(jì)算變壓器初級(jí)匝數(shù)的公式（不含反激變壓器）3 單端反激式變換器的的高頻變壓器設(shè)計(jì)3.1 單端反激式變換器的工作方式開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)，二極管截止，變壓器磁芯儲(chǔ)能。S斷開(kāi)時(shí)，磁芯儲(chǔ)能通過(guò)二極管向負(fù)載釋放。因此，變壓器并不是真正意義上的變壓器，而是提供磁場(chǎng)將初級(jí)的能量轉(zhuǎn)移到次級(jí)，初級(jí)起電感的作用。3.2 初級(jí)峰值電流的計(jì)算開(kāi)關(guān)S閉合后，初級(jí)電流從0 開(kāi)始上升，如果忽略回路的電阻，電流的變化規(guī)律是線性的。當(dāng)S斷開(kāi)時(shí)，電流上升到最大值IPm。在S導(dǎo)通期間（ton）初級(jí)電流的平均值為Ipm/2。S關(guān)斷的一段時(shí)間toff，

12、這段時(shí)間初級(jí)繞組中沒(méi)有電流。兩段時(shí)間之和為周期T。令占空比D= ton /T，整個(gè)周期中電流的平均值為IPAV=DIpm/2。這樣就可以確定，電源的輸入功率Pi=UiIPAV。如果效率為，輸出功率為Po=PiIPAV。這樣，初級(jí)電流最大值可由下式得出 （3.1a）上面的Pi計(jì)算中，以平均值代替了有效值，得出的Ipm是偏大的。用有效值計(jì)算（見(jiàn)3.4節(jié)），得 （3.1b）最大占空比的選擇：在能滿足輸入電壓變化范圍的情況下，應(yīng)使D的范圍在0.5左右。D小時(shí)，初級(jí)電流峰值高；D大時(shí)，次級(jí)電流峰值大，初級(jí)的關(guān)斷反峰電壓高。3.3 初級(jí)電感的計(jì)算 初級(jí)電感在一個(gè)周期轉(zhuǎn)移的能量等于最大儲(chǔ)能： 功率為 所以

13、（3.2）結(jié)合（3.1a）和（3.2）得 （3.3a）或者 （3.3b）結(jié)合（3.1b）和（3.2）可得 （3.4a）或者 （3.4b）Lp為臨界電感，當(dāng)初級(jí)電感等于臨界電感時(shí)，一周期內(nèi)儲(chǔ)存的能量剛好放完，電流（能量）連續(xù)（實(shí)際上，初次級(jí)電流都是不連續(xù)的）。要求工作于電流連續(xù)模式（CCM）時(shí)，L要大于臨界電感。否則，將工作于電流斷續(xù)模式（DCM）。 建議按（3.3b）和（3.4）計(jì)算Ipm和Lp。 如果要求輸出最小功率Pomin時(shí)電流仍連續(xù)，則公式中應(yīng)以Pomin代替Po3.4有效值電流的計(jì)算 有效值定義為 設(shè)工作于臨界連續(xù)狀態(tài)，初級(jí)電流為不連續(xù)的三角波，占空比為D，則初級(jí)電流有效值為 （3.

14、5a）或者 （3.5b）Kf是因功率因數(shù)（由波形引起）小于1引入的一個(gè)系數(shù)，一般可取0.7.次級(jí)電流有效值為 （3.6）U1、U2為初級(jí)和次級(jí)的額定電壓。 注：實(shí)際上，次級(jí)電流波形還與濾波電容大小有關(guān)，電容越大，電流持續(xù)時(shí)間越小，有效值越大。3.5導(dǎo)線直徑的計(jì)算電流密度J的選取和磁芯型式、允許溫升有關(guān)，一般取250500A/m3。下表可參考電流密度(A/m3)允許溫升()磁芯型式罐型E型C型環(huán)形25433366322250565由 得 （3.7）取J=2.5A/mm2(250A/m2): (mm)取J=4A/mm2(400A/m2): (mm)為了減小交流電阻（減小趨膚效應(yīng)影響），常用多股線并

15、繞。3.6 磁芯尺寸的選擇變壓器磁芯尺寸的要求取決于工作磁通（磁芯截面積、體積）、繞線窗口、溫升等幾個(gè)方面，磁芯截面積決定了工作磁通密度和磁芯損耗，磁芯窗口面積決定窗口線圈能否裝下線圈，因此磁芯的尺寸常用磁芯截面積、窗口面積積來(lái)衡量，面積積公式的推導(dǎo)方法一般是：(1)通過(guò)電磁感應(yīng)定律推導(dǎo)出需要的磁芯截面積。為了控制溫升，有必要選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ黝l率和最大磁通密度擺幅Bm從而得到適當(dāng)?shù)蔫F損（磁芯損耗），通?？蛇x擇100KW/m3(100mW/cm3)，參見(jiàn)圖1.10.(2) 計(jì)算初、次級(jí)電流有效值，再根據(jù)電流密度、線圈匝數(shù)等推導(dǎo)出需要的窗口面積。(3) 二者相乘, 求出面積積。由于計(jì)算方法的不同，公

16、式多種多樣。 公式1 （cm4） (3.8)不同電路的變壓器都采用這一公式，只是KT不同式中，Se為磁芯有效截面積，cm2；Sw為磁芯窗口面積，cm2； Kw為窗口利用系數(shù)，0.20.4；為變壓器效率，0.8左右；J為電流密度，250500A/cm2；其它為SI單位制。式中KT是由電路結(jié)構(gòu)決定的拓?fù)湎禂?shù)，對(duì)反激變壓器 (3.9)式中 ，為激磁電流紋波系數(shù)，電流臨界連續(xù)或不連續(xù)時(shí)等于1.公式2求出電感量L1、峰值電流Ipm、導(dǎo)線直徑d 以后，可根據(jù)需要選擇磁性材料，從而得到磁通密度最大變化量Bm，再由上述參數(shù)作為選擇磁芯尺寸的依據(jù)。電感越大、電流越大，磁芯的尺寸就越大，而選擇BS較大的材料，相應(yīng)

17、的Bm可以大一些，磁芯的尺寸可以減小。 （cm4） （3.10）式中，d為初級(jí)繞組導(dǎo)線直徑，mm公式3 （cm4） (3.11a) 或者 （cm4） (3.11b)式中，Pi為輸入側(cè)功率，3.7 磁芯氣隙的計(jì)算單端反激式變換器高頻變壓器磁芯有直流偏磁，應(yīng)加入氣隙，否則容易磁飽和。一周期內(nèi)轉(zhuǎn)換的能量為 （3.12） 式中，B為磁通密度變化量，如果忽略了剩磁Br，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量B就是最大磁感應(yīng)強(qiáng)度的絕對(duì)值Bm。le為有效磁路長(zhǎng)度，為氣隙長(zhǎng)度，Se為磁芯有效截面積。由（3.12）式可知，能量主要儲(chǔ)存在氣隙中（一般le/r）同時(shí)有 （3.13） （3.14）如果計(jì)算出的為負(fù)數(shù)，說(shuō)明不需要?dú)庀?；?jì)

18、算出的太大，應(yīng)重選磁芯，加大Se。附：小功率應(yīng)用時(shí)如不用氣隙，則要求磁芯體積滿足一定要求： （3.15a） （3.15b）磁芯體積V=Sclc，lc為磁芯有效磁路長(zhǎng)度，為增量磁導(dǎo)率。3.8磁芯截面積的核算由（2.13）有所以 或者 （3.16）3.9 初級(jí)匝數(shù)的計(jì)算由磁勢(shì) 得 （3.17） 則 （3.18）由（3.9）得 代入（3.13）還可得 （3.19）3.10 次級(jí)匝數(shù)的計(jì)算開(kāi)關(guān)S接通時(shí)電路的電壓方程為認(rèn)為磁場(chǎng)的變化是由0線性增長(zhǎng)的，在t =DT時(shí)（T為周期），磁通量達(dá)到最大值m，則 （3.20）開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)時(shí)，二極管導(dǎo)通，次級(jí)電路的電壓方程為 由于磁通不能突變，磁通m從開(kāi)始下降，到t =

19、（1-D）T 時(shí)下降到0，電壓方程為 （3.21）（3.20）（3.21）說(shuō)明初級(jí)和次級(jí)的磁通變化量應(yīng)相等，或者說(shuō)伏秒積相等。式中US應(yīng)包括輸出電壓UO和二極管導(dǎo)通壓降UD。聯(lián)立式（3.20）和（3.21），取最低輸入電壓和最大占空比，得次級(jí)匝數(shù)的計(jì)算公式為 (3.22)式中Uo取額定值。用下式核算最小占空比。 (3.23)如果Dmin、Dmax不在希望的范圍內(nèi)，可改變。4 單端正激式變換器的高頻變壓器設(shè)計(jì)4.1 磁芯尺寸的選擇圖為正激式直流變換器的輸出部分，電子開(kāi)關(guān)與初級(jí)繞組N1串聯(lián)；次級(jí)繞組N2與整流二極管VD1相串聯(lián)，將變換后的電能整流后輸出給負(fù)載；N3是消磁繞組，將開(kāi)關(guān)關(guān)斷后磁路中儲(chǔ)存

20、的剩余電能回饋給電源。變壓器次級(jí)有續(xù)流二極管，電感輸入濾波。單端正激式電路的輸出變壓器是一個(gè)真正的變壓器，但工作模式屬于電流單方向變化的情況，B-H 的運(yùn)動(dòng)軌跡在第一象限。單端正激高頻變壓器可以用下面的經(jīng)驗(yàn)公式求出磁芯截面和窗口面積積 公式1（通用公式） （cm4） (4.1)式中 為正激有續(xù)流二極管電路的拓?fù)湎禂?shù)。 公式2 （cm4） （4.2）式中Bm為磁通密度（T）擺幅，對(duì)于鐵氧體磁芯一般為0.150.2T，或根據(jù)鐵損或溫升要求選擇(按比損耗100KW/m3左右)；PO為輸出功率（W）；f 為工作頻率（Hz）。KO為窗口使用系數(shù)，反映窗口被繞組填充的情況，一般取0.35；KP為繞線系數(shù)，

21、一般取0.43。計(jì)算出的SeSw乘積的單位為cm4。4.2 計(jì)算初級(jí)繞組的匝數(shù)由（2.13） 可得 （4.3）式中：U1min輸入電壓最小值（V）；Dmax最大占空比；f 工作頻率（Hz）；Se 磁芯有效截面積（cm2）；Bm磁通密度變化量（T）。4.3 計(jì)算次級(jí)繞組和消磁繞組的匝數(shù)由于次級(jí)繞組NS與初級(jí)繞組NP為同一磁路，所以在開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，N2與N1的端電壓符合變比關(guān)系，次級(jí)繞組兩端的電壓為脈沖形式，占空比為D，經(jīng)二極管整流后，電壓平均值也就是輸出電壓UO應(yīng)再乘以D。多數(shù)輸出電壓比較低，這樣就不能忽略整流二極管的直流壓降UD。因此，次級(jí)繞組由下式計(jì)算 （4.4）至于消磁繞組，其電壓與初級(jí)繞組

22、是一樣的，所以它的匝數(shù)與初級(jí)繞組也應(yīng)該相同。4.4 計(jì)算各繞組的電流在有續(xù)流二極管和電感輸入濾波的情況下，變壓器次級(jí)和初級(jí)的電流波形與電壓波形基本相同，為矩形波。次級(jí)繞組電流幅值等于直流輸出電流(負(fù)載電流)：有效值電流 即 （4.5）初級(jí)電流有效值為 （4.6）去磁繞組電流與磁化電流相同，約為初級(jí)電流有效值的5%10%： （4.7）4.5 氣隙問(wèn)題通常正激變壓器磁芯可以不加氣隙，但由于有剩磁，要使磁芯不飽和，磁芯中磁通密度最大擺幅為 Bm BS Br 式中Bs 和Br 分別是飽和磁通密度和剩余磁通密度。對(duì)于鐵氧體材料，100時(shí)飽和磁化曲線約為0.3T，剩余磁通密度約為0.1T，磁芯中最大允許磁

23、通密度擺幅為兩者之差0.2T。這樣變壓器需要更多的匝數(shù)，銅損耗增加。如果在磁芯磁路中加一個(gè)很小的氣隙，有效磁導(dǎo)率下降了，同時(shí)Br也大大減少。通常只要增加0.050.1mm 氣隙，剩磁感應(yīng)下降到0.02T。這樣B 可取到大于0.2T，可以大大減少了線圈匝數(shù)。5 純交流磁場(chǎng)的高頻變壓器設(shè)計(jì) 半橋、全橋和推挽式變換器的高頻變壓器磁場(chǎng)的變化是純交流的，磁感應(yīng)強(qiáng)度從負(fù)的最大值到正的最大值之間周期性的變化。此類變壓器的特點(diǎn)是：（1）磁滯回線在1、2、3、4象限變化，在負(fù)的最大值和正的最大值之間，材料允許的最大磁通密度變化量Bm是單端式變壓器的2 倍；（2）一般不需在磁路中加入氣隙；（3）有時(shí)電流的正負(fù)半周分別由兩個(gè)線圈交替提供，如推挽電路的初級(jí)、次級(jí)接全波整流的次級(jí)線圈，必須設(shè)計(jì)兩個(gè)相同的繞組串聯(lián)，中心抽頭。5.1 磁芯尺寸的選擇用下面的通用公式求出磁芯截面和窗口面積積 （cm4） （5.1）式中，KT為電路拓?fù)湎禂?shù)，對(duì)（1）橋式（半橋、全橋）電路：有續(xù)流二極管（圖5.1，圖5.3） （5.2）無(wú)續(xù)流二極管（圖5.2，圖5.4） （5.3）方波激勵(lì)時(shí)（無(wú)需續(xù)流二極管），D=0.5，KT=0.6 圖5.1 圖5.2 圖5.3