第4章 開關(guān)電源中的高頻磁元件的設(shè)計(jì)

1、123磁性材料的概述磁性材料的概述高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法磁性材料及鐵氧體磁性材料磁性材料及鐵氧體磁性材料基本內(nèi)容 這里討論的磁性元件是指繞組和磁芯。繞組可以是一個(gè)繞組，也可以是兩個(gè)或多個(gè)繞組。它是儲(chǔ)能、轉(zhuǎn)換及隔離所必備的元件。常把它作為變壓器或電感器使用。 當(dāng)變壓器用，可起作用為：1) 電氣隔離；2) 變比不同，達(dá)到電壓升、降；3) 大功率整流副邊相移不同，有利紋波系數(shù)減小；4) 磁耦合傳送能量；5) 測量電壓、電流。 當(dāng)電感器用，可起作用為：1) 儲(chǔ)能、平波、濾波；2)抑制尖峰電壓或電流，保護(hù)易受電壓、電流損壞的電子元件；3)與電容器構(gòu)成諧振，產(chǎn)生方向交變的電壓或電流。 4.1

2、.14.1.1磁元件在開關(guān)電源中的作用磁元件在開關(guān)電源中的作用4.1.24.1.2磁性元件對(duì)設(shè)計(jì)的重要意義磁性元件對(duì)設(shè)計(jì)的重要意義 磁性元件是開關(guān)變換器中必備的元件。但又不易透徹掌握工作情況(包括磁材料特性的非線性，特性與溫度、頻率、氣隙的依賴性和不易測量性)。在選用元件時(shí)，不像電子元件可以有現(xiàn)成成品選擇。絕大多數(shù)磁性元件都是要自行設(shè)計(jì)，主要是變壓器和電感器涉及的參數(shù)太多，例如：電壓、電流、頻率、溫度、能量、電感量、變比、漏電感、磁材料參數(shù)、銅損耗、鐵損耗等等。磁材料參數(shù)測量因難，也增加了人們的困惑感。絕大多數(shù)磁元件要自行設(shè)計(jì)，或提供參數(shù)委托設(shè)計(jì)、加工。 4.1.3 4.1.3 磁性材料的磁化

3、磁性材料的磁化 物質(zhì)的磁化需要外磁場。相對(duì)外磁場而言，被磁化的物質(zhì)稱為磁介質(zhì)。將鐵磁物質(zhì)放到磁場中，磁感應(yīng)強(qiáng)度顯著增大。磁場使得鐵磁物質(zhì)呈現(xiàn)磁性的現(xiàn)象稱為鐵磁物質(zhì)的磁化。鐵磁物質(zhì)之所以能被磁化，是因?yàn)檫@類物質(zhì)不同于非磁物質(zhì)，在其內(nèi)部有許多自發(fā)磁化的小區(qū)域磁疇。在沒有外磁場作用時(shí)，這些磁疇排列的方向是雜亂無章的(圖5-1(a)，小磁疇間的磁場是相互抵消的，整個(gè)磁介質(zhì)對(duì)外不呈現(xiàn)磁性。如給磁性材料加外磁場，材料中的磁疇順著磁場方向轉(zhuǎn)動(dòng)，加強(qiáng)了材料內(nèi)的磁場。隨著外磁場加強(qiáng)，轉(zhuǎn)到外磁場方向的磁疇就越來越多，與外磁場同向的磁感應(yīng)強(qiáng)度就越強(qiáng)，如圖5-1(b)（d）所示，這就是說材料被磁化了。 HHH(a)

4、(b) (c) (d)圖5-1 鐵磁物質(zhì)磁化過程中的磁疇排列4.1.3 4.1.3 磁性材料的磁化磁性材料的磁化1、磁性材料的磁化過程、磁性材料的磁化過程 如將完全無磁狀態(tài)的鐵磁物質(zhì)放在磁場中，磁場強(qiáng)度從零逐漸增加，測量鐵磁物質(zhì)的磁通密度B，得到磁通密度和磁場強(qiáng)度H之間關(guān)系，并用B-H曲線表示，該曲線稱為磁化曲線，如圖5-2曲線C所示。 HB0abcABCtg=0圖5-2 鐵磁物質(zhì)的磁化特性 4.1.3 4.1.3 磁性材料的磁化磁性材料的磁化 當(dāng)磁介質(zhì)置于磁場中，外磁場較弱時(shí)，隨著磁場強(qiáng)度的增加，與外磁場方向相差不大的那部分磁疇逐漸轉(zhuǎn)向外磁場方向（圖5-1（b），磁感應(yīng)B隨外磁場增加而增加(

5、圖5-2中oa段)。如果將外磁場H逐漸減少到零時(shí)，B仍能沿ao回到零，即磁疇發(fā)生了“彈性”轉(zhuǎn)動(dòng)，故這一段磁化是可逆的。 當(dāng)從磁場繼續(xù)增大時(shí)，與外磁場方向相近的磁疇已經(jīng)趨向于外磁場方向，那些與磁場方向相差較大的磁疇克服“摩擦”，也開始轉(zhuǎn)向外磁場方向（圖5-1（c），因此磁感應(yīng)B隨H增大急劇上升，如磁化曲線ab段。如果把a(bǔ)b段放大了看，曲線呈現(xiàn)階梯狀，說明磁化過程是跳躍式進(jìn)行的。如果這時(shí)減少外磁場，B將不再沿ba段回到零，過程是不可逆的。 4.1.3 4.1.3 磁性材料的磁化磁性材料的磁化2、飽和磁滯回線、飽和磁滯回線 如果將鐵磁物質(zhì)沿磁化曲線OS 由完全去磁狀態(tài)磁化到飽和Bs（如圖5-3 所示

6、），此時(shí)如將外磁場H 減小，B值將不再按照原來的初始磁化曲線(0S)減小，而是更加緩慢地沿較高的B 減小，這是因?yàn)榘l(fā)生剛性轉(zhuǎn)動(dòng)的磁疇保留了外磁場方向。即使外磁場H=0時(shí)，B0，即尚有剩余的磁感應(yīng)強(qiáng)度Br 存在。這種磁化曲線與退磁曲線不重合特性稱為磁化的不可逆性。磁感應(yīng)強(qiáng)度B 的改變滯后于磁場強(qiáng)度H 的現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象。 HB+HC-HC+Br-Br+BS-BS+HS-HS0S圖5-3 磁芯的磁滯回線 4.1.3 4.1.3 磁性材料的磁化磁性材料的磁化1、初始磁導(dǎo)率、初始磁導(dǎo)率 初始磁導(dǎo)率是磁性材料的磁化曲線始端磁導(dǎo)率的極限值，即： 式中 0真空磁導(dǎo)率(4p107H/m) ；H 磁場強(qiáng)度(A/

7、m)；B 磁感應(yīng)強(qiáng)度(T)。2、有效磁導(dǎo)率、有效磁導(dǎo)率r 在閉合磁路中，或多或少地存在著氣隙，若氣隙很小可以忽略，則可以用有效磁導(dǎo)率來表征磁芯的導(dǎo)磁能力:式中L線圈的自感量(mH)；N 線圈匝數(shù)；l/Ae 磁芯常數(shù)，是磁路長度與磁芯截面積Ae之比值(mm-1)HBLimHi0017e2r104AlNLp 5-1 5-2 4.1.4 4.1.4 磁性材料的基本特性磁性材料的基本特性 3、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度BS 隨磁芯中磁場強(qiáng)度H增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度出現(xiàn)飽和時(shí)的B值，稱飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs(mT)(如圖5-3所示)。 4、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br 磁芯從磁飽和狀態(tài)去除磁場后，剩余的

8、磁感應(yīng)強(qiáng)度(或稱殘留磁通密度) (如圖5-3所示)。 5、矯頑力、矯頑力HC 磁芯從飽和狀態(tài)去除磁場后，繼續(xù)反向磁化直至磁感應(yīng)強(qiáng)度減小到零，此時(shí)的磁場強(qiáng)度稱為矯頑力(或保磁力) (如圖5-3所示) 4.1.4 4.1.4 磁性材料的基本特性磁性材料的基本特性 HB+HC-HC+Br-Br+BS-BS+HS-HS0S圖5-3 磁芯的磁滯回線 6、溫度系數(shù)、溫度系數(shù) 溫度系數(shù)為溫度在T1至T2范圍內(nèi)變化1oC時(shí)，每相應(yīng)磁導(dǎo)率的相對(duì)變化量，即1溫度為T1時(shí)的磁導(dǎo)率；2溫度為T2時(shí)的磁導(dǎo)率7、居里溫度、居里溫度Tc 在該溫度下磁芯的磁狀態(tài)由鐵磁性轉(zhuǎn)變成順磁性。其定義如圖54所示，即在T曲線上，80ma

9、x與20max連線與=1的交叉點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的溫度，即為居里溫度Tc。)(11212112TTTTTC0.8max0.2max=1Ti圖 5-4 居里溫度Tc定義圖 4.1.4 4.1.4 磁性材料的基本特性磁性材料的基本特性 8 8、磁芯損耗、磁芯損耗(鐵損鐵損) Pc 磁芯損耗包括：磁滯損耗、渦流損耗、殘留損耗。磁滯損耗是交流磁化所消耗的能量，表為 作為工程計(jì)算，可用式 計(jì)算。其中：f 頻率；Bm最大磁通密度；Ch磁滯損耗系數(shù)，因材質(zhì)而異。渦流損耗是交變磁場在磁芯中產(chǎn)生環(huán)流引起的歐姆損耗，表為 其中Ce磁滯損耗系數(shù)，大小取決于材料電阻率。 殘留損耗是由磁化延遲及磁矩共振等造成，前兩項(xiàng)是主要的。H

10、PfVHdB1.6HhmPCf BV222eemPCfBV 5-3 4.1.4 4.1.4 磁性材料的基本特性磁性材料的基本特性 9、電感系數(shù)、電感系數(shù)AL 電感系數(shù)是磁芯上每一匝線圈產(chǎn)生的自感量，即 式中：L 有磁芯的線圈的自感量(H) N 線圈匝數(shù)。)/(22LNHNLA 4.1.4 4.1.4 磁性材料的基本特性磁性材料的基本特性 4.2.14.2.1、磁芯磁性能、磁芯磁性能 各種磁芯材質(zhì)表面雖相似，但磁性能可能有極大差別。開關(guān)電源高頻變壓器磁芯多是低磁場下使用的軟磁材料，它有較高磁導(dǎo)率，低的矯頑力，高的電阻率。磁導(dǎo)率高，在一定線圈匝數(shù)時(shí)，通過不大的激磁電流就能有較高的磁感應(yīng)強(qiáng)度，線圈就

11、能承受較高的外加電壓，因此在輸出一定功率要求下，可減輕磁芯體積。磁芯矯頑力低，磁滯回環(huán)面積小，則鐵耗也小。高的電阻率，則渦流小，鐵耗小。金屬軟磁材料在開關(guān)電源中用得較少，只是如鐵鎳合金、鐵鋁合金薄片的鐵芯基本合適。有一種軟磁材料是鐵氧體，鐵氧體是復(fù)合氧化物燒結(jié)體，電阻率很高，適合高頻下使用，但Bs值比金屬軟磁材料小得多，較普遍使用在開關(guān)電源中。在設(shè)計(jì)時(shí)必須從選擇合適的磁芯材料開始。各種鐵芯材料之特性比較如下表所示。 類別名稱材料導(dǎo)磁率rBs（Gs）（kHz）特點(diǎn)說明金屬鐵芯硅鋼片(silicon steel)SiFe180020000約10除坡莫合金外，余皆高磁感應(yīng)強(qiáng)度。除非晶合金外，宜30k

12、Hz以下使用，這些材料電阻率低坡莫合金(permalloy）NiFe200007500約30超級(jí)坡莫合金（supermalloy）NiFe1000007800約30鈷鐵合金(permendur)CoFe80024500約30非晶合金(Amorphous)Fe(Ni,Co)10000015000約1000鐵粉磁芯碳基鐵粉芯(carbony Iron)Fe3120約9000約300000低導(dǎo)磁率，高磁感應(yīng)強(qiáng)度，低損失，宜中、高頻使用鋁硅鐵粉芯(Sendust)Al,Si,Fe1080約9000約1000坡莫合金鐵粉芯Mo，Ni，F(xiàn)e14145約8000約300鐵氧體磁芯錳鋅鐵氧體（MnZn Fer

13、rite）Mn，Zn，F(xiàn)e100018000約5000約1000錳鋅鐵氧體導(dǎo)磁率高，磁感應(yīng)強(qiáng)度小等，電阻率高，損失低，價(jià)格低宜高頻使用鎳鋅鐵氧體(NiZn Ferrite)Ni，Zn，F(xiàn)e15500約3000約100000銅鎂鋅鐵氧體（CuMgZn Ferrite）Cu，Mg，Zn，F(xiàn)e約10 約2000004.2.14.2.1、磁芯磁性能、磁芯磁性能 基本結(jié)構(gòu)有：疊片，通常由硅鋼或鎳鋼薄片沖剪成E、I、F、O等形狀，疊成一個(gè)鐵芯；環(huán)形鐵芯(toroid)，由O型薄片疊成，也可由窄長的硅鋼、合金鋼帶卷繞而成，此形鐵芯，繞線困難；C形鐵芯，此種鐵芯可免去環(huán)形鐵芯繞線困難的缺點(diǎn)，由二個(gè)C型鐵芯對(duì)接

14、而成。因此，可用機(jī)械繞線，線圈也可填滿整個(gè)窗口；罐形(POT)鐵芯，它是磁芯在外，銅線圈在里，免去環(huán)形線圈繞線不便的一種結(jié)構(gòu)形式，可以減少EMI。缺點(diǎn)是內(nèi)部線圈散熱不良，溫升較高，因此只在小功率變換器中使用。 如果把罐形鐵芯外園切掉一部分，則變成通風(fēng)良好，從而解決溫升過高的問題。從改善通風(fēng)出發(fā)因而有圖5-5所示的各種磁芯形式。 4.2.24.2.2、磁芯結(jié)構(gòu)、磁芯結(jié)構(gòu) 圖 5-5為解決PQ型散熱出現(xiàn)的各種鐵芯示意圖 4.2.24.2.2、磁芯結(jié)構(gòu)、磁芯結(jié)構(gòu) 4.3 4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法 設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，應(yīng)當(dāng)預(yù)先知道電路拓?fù)?、工作頻率、輸入和輸出電壓、輸出功率或輸出電流以及

15、環(huán)境條件。同時(shí)還應(yīng)當(dāng)知道所設(shè)計(jì)的變壓器允許多大損耗?？偸且詽M足最壞情況設(shè)計(jì)變壓器，保證設(shè)計(jì)的變壓器在規(guī)定的任何情況下都能滿意工作。 變壓器的設(shè)計(jì)主要就是指變壓器磁芯選擇（形狀、磁芯截面、窗口截面）和繞組設(shè)計(jì)（匝比、匝數(shù)、導(dǎo)線截面積等）4.3.14.3.1匝數(shù)和匝比選取匝數(shù)和匝比選取 初級(jí)一般電壓較高，調(diào)整初級(jí)匝數(shù)和匝比不困難。次級(jí)一般匝數(shù)較少，工作頻率越高，次級(jí)有可能只有一匝，甚至少于一匝，如果取整，帶來很大匝比誤差，同時(shí)引起相關(guān)問題。 在輸出電壓比較低時(shí)，例如5V，甚至1V左右，限制了匝數(shù)和匝比的選擇。5V輸出次級(jí)可能是1匝或2匝，每個(gè)線圈階差1或2匝。計(jì)算結(jié)果1.5匝，取整可能選擇2匝，為

16、保持原來的匝比，所有線圈匝數(shù)增加25。相同尺寸的磁芯和窗口，要在原來的窗口中繞不下總線圈。如果加大了電流密度，則大大增加了線圈損耗。反之，選擇1匝，但磁芯中的磁通密度增加1/3，磁芯損耗可能增加一倍。 4.3.14.3.1匝數(shù)和匝比選取匝數(shù)和匝比選取 雖然沒有通用的快速的選擇每個(gè)線圈最優(yōu)匝數(shù)的方法，但有一般規(guī)律可循。首先，決定額定UiD時(shí)達(dá)到希望輸出電壓的線圈之間的理想匝比。接著，在選擇某磁芯尺寸后，求得匝比和匝數(shù)，但不是實(shí)際需要的整數(shù)。在取整數(shù)匝前最好折衷處理，試試幾個(gè)可能。從最低電壓次級(jí)開始，因?yàn)樾〉臄?shù)字整數(shù)化百分比最大。特別是如果低輸出電壓的次級(jí)輸出最大負(fù)載功率，而主控制回路調(diào)節(jié)的也是低

17、壓輸出，最低電壓次級(jí)匝數(shù)上升或下降對(duì)整個(gè)線圈影響最大。匝數(shù)下降將增加磁芯損耗，上升將增加線圈損耗。如果增加的損耗太大，必須重新選擇磁芯，以便僅需要很少變動(dòng)就可調(diào)整到整數(shù)匝。 4.3.24.3.2高頻變壓器磁芯選擇高頻變壓器磁芯選擇 （1 1）磁芯材料）磁芯材料 功率鐵氧體，高頻下材料具有很高電阻率，因而渦流損耗低、價(jià)格低是高頻變壓器磁芯首選材料。但磁導(dǎo)率通常較低，磁化電流因此較大，有時(shí)需用緩沖和箝位電路處理。 對(duì)于合金材料磁芯，如鈷基非晶合金和微晶合金，這些材料具有較高的電阻率，通常軋成很薄的帶料，可以用在較高頻率。一般合金材料雖然飽和磁通密度比鐵氧體材料大得多，這通常是無關(guān)緊要的，因?yàn)榇磐?/p>

18、度擺幅嚴(yán)重受渦流損耗限制。同時(shí)價(jià)格因素也影響材料的選擇。在高溫和沖擊、振動(dòng)大的地方，需采用合金材料磁芯外，一般變壓器磁芯最好選擇鐵氧體。 4.3.24.3.2高頻變壓器磁芯選擇高頻變壓器磁芯選擇（2 2）磁芯形狀）磁芯形狀 磁芯窗口應(yīng)盡可能寬。加大線圈寬度可減少線圈的層數(shù)。使交流電阻Rac和漏感減少。還有，固定的爬電尺寸對(duì)寬窗口影響較小。寬窗口需要線圈高度低，因此更好利用線圈窗口面積。 鐵氧體磁芯有罐型(國產(chǎn)GU型，國際P型)、PM、RM、PQ、EE、EC、EP、ETD、RC、UU和UI各種型號(hào)，以及新近發(fā)展的平面磁芯，如EFD,EPC,LP型等磁芯。 罐型和PQ型磁芯具有較小的窗口面積，窗口

19、形狀幾乎是正方的。罐(P)型和PQ型磁芯比EE磁芯有較好的磁屏蔽的優(yōu)點(diǎn)，減少了EMI的傳播，用于EMC要求嚴(yán)格的地方。爬電尺寸耗費(fèi)了窗口面積的大部分，窗口寬度遠(yuǎn)不是最佳，只用于125W以下低功率場合。大功率應(yīng)用散熱困難。缺點(diǎn)是引出線缺口小，大電流出線困難。也不適宜多路輸出，輸出出線太多。也不宜高壓應(yīng)用，因?yàn)槌鼍€的安全絕緣處理困難。 4.3.24.3.2高頻變壓器磁芯選擇高頻變壓器磁芯選擇EE，EC，ETD，LP磁芯都是E型磁芯。相對(duì)于外形尺寸來說有較大的窗口面積，同時(shí)窗口寬而高度低的結(jié)構(gòu)，漏磁及線圈層數(shù)少，高頻交流電阻小。開放式的窗口沒有出線問題，線圈與外界空氣接觸面大，有利于空氣流通，散熱方

20、便，可處理大功率。但電磁干擾較大。 EC，ETD磁芯的中柱圓形截面與EE型相同矩形截面積時(shí)，圓形截面每匝線圈比矩形短大約11，即電阻少11，線圈損耗和溫升也相應(yīng)降低。但是EE型磁芯尺寸齊全，根據(jù)不同的工作頻率和磁通擺幅，傳輸功率范圍從5W到高達(dá)5kW。如果將兩副EE型磁芯合并作為一體使用，傳輸功率甚至可達(dá)10kW。兩副磁芯合并使用時(shí)，磁芯面積加倍，如磁通擺幅和頻率保持不變，匝數(shù)減少一半，功率加倍比應(yīng)用下一個(gè)大尺寸的磁芯體積要小。 4.3.24.3.2高頻變壓器磁芯選擇高頻變壓器磁芯選擇(3) (3) 磁芯尺寸選擇磁芯尺寸選擇 磁芯尺寸的選擇最常用的有三種方法，第一種是先求出磁芯窗口面積Aw與磁

21、芯有效截面積Ae的乘積AP(APAwAe，稱磁芯面積乘積)。根據(jù)AP值，查表找出所需磁性材料之編號(hào)，謂之AP法；第二種是先求出幾何參數(shù)，查表找出磁芯編號(hào)，再進(jìn)行設(shè)計(jì)，稱為Kg法；第三種是直接根據(jù)電路拓?fù)洹⑤敵龉β?、開關(guān)頻率、磁芯材料和形狀查表得出磁芯型號(hào)，為查表法。這里我們主要介紹AP法。 4.3.24.3.2高頻變壓器磁芯選擇高頻變壓器磁芯選擇 APAP法經(jīng)驗(yàn)公式：法經(jīng)驗(yàn)公式：其中 Po 輸出功率(W)； B 磁通密度變化量(T)； fS 變壓器工作頻率(Hz)； K 0.014（正激變換器，推挽中心抽頭） 0.017（全橋，半橋）。 公式是基于線圈電流密度420A/cm2，并假定窗口充填系

22、數(shù)是40。 cm43/4SoWeBKfPAAAP 5-5 4.3.34.3.3正激變換器的磁芯尺寸計(jì)算正激變換器的磁芯尺寸計(jì)算 正激電路和初級(jí)電流波形如上一講圖44、45所示。一般輸出電流脈動(dòng)分量I=0.2Io， Io次級(jí)斜坡電流的中值。如忽略磁化電流，初級(jí)電流峰值為Ii= Io/n。在最低輸入電壓時(shí)保證輸出電壓。正激變換器的最大占空比應(yīng)當(dāng)小于0.5。同時(shí)為了能承受突加負(fù)載等影響，最大占空比選擇為0.4，因此，輸出功率 因線圈導(dǎo)線直徑用電流有效值計(jì)算的，矩形波電流有效值與電流峰值的關(guān)系為 或 Idc=1.58Idcminidcimindciminio32. 04 . 08 . 0IUIUIDU

23、PPdcdcdc632. 04 . 0IIDII 5-6 5-7 4.3.34.3.3正激變換器的磁芯尺寸計(jì)算正激變換器的磁芯尺寸計(jì)算因此：由電磁感應(yīng)定律得到其中 Ui 變壓器初級(jí)電壓(V)；NP 變壓器初級(jí)匝數(shù)；Ae 磁芯的有效截面積(m2)；B在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)磁通密度擺幅(T)；ton 導(dǎo)通時(shí)間（s）IUIUIUPminiminidcminio506. 058. 132. 032. 0onePitBANU 5-8 5-9 4.3.34.3.3正激變換器的磁芯尺寸計(jì)算正激變換器的磁芯尺寸計(jì)算 在Uimin時(shí) 將式（59）代入到式(58)中得到 Tf/1STBtB4 . 0/maxmaxon4 .

24、 0506. 0506. 0SmaxePminiofBAINIUPIfABNSemaxP265. 1 5-10 4.3.34.3.3正激變換器的磁芯尺寸計(jì)算正激變換器的磁芯尺寸計(jì)算 若假定初級(jí)和所有次級(jí)線圈的電流密度相同。忽略復(fù)位線圈所占的窗口，因僅流過磁化電流。令磁芯窗口面積，初級(jí)線圈面積，所有次級(jí)線圈面積和初級(jí)1匝線圈截面積分別為AW，A1，A2和APi(cm2)。如果充填系數(shù)為0.4，且A1A2，有 或 5-11 電流密度j（A/cm2）為 或 5-12PiPW12 . 0ANAAPWPi2 . 0NAAPiAIj PWPi2 . 0NjAjAI4.3.34.3.3正激變換器的磁芯尺寸計(jì)

25、算正激變換器的磁芯尺寸計(jì)算 將式(5-12)代入式(5-10),考慮到j(luò) =400A/cm2，得到 或 式中 Po 變換器輸出功率（W）；Ae 磁芯截面（cm2）；AW磁芯窗口面積(cm2)；fS 變壓器工作頻率(Hz)。4PWSemaxPSemaxPo102 . 0265. 1265. 1NjAfABNIfABNP2WemaxS10012. 1AABfmaxSoWe99BfPAAAP5-145-134.3.44.3.4推挽變換器的磁芯尺寸計(jì)算推挽變換器的磁芯尺寸計(jì)算 推挽功率變換器實(shí)際是兩個(gè)正激變換器組合而成的。假設(shè)條件與正激一樣：=0.8，2Dmax=0.42=0.8。同時(shí)初級(jí)電流的有效值

26、與平均值的關(guān)系Idc=1.58I。因此有 5-15 仍假定充填系數(shù)為0.4。初、次級(jí)電流密度相同。初級(jí)和次級(jí)線圈各占骨架窗口一半。初級(jí)有兩個(gè)線圈，由式5-11有 或 5-16IUIDUPidcminmini001. 12PiPW122 . 0ANAAPWPi1 . 0NAA4.3.44.3.4推挽變換器的磁芯尺寸計(jì)算推挽變換器的磁芯尺寸計(jì)算由式5-9得到 5-17考慮到式516，得到 5-18maxeSPemaxPonePi54 . 02BAfNTABNtBANU4PWmaxeSPminio101 . 005. 501. 1NAjBAfNIUP2maxWeS5maxWeS1002. 21005

27、. 5BAAfBAAjf4.3.44.3.4推挽變換器的磁芯尺寸計(jì)算推挽變換器的磁芯尺寸計(jì)算 面積乘積為： 式中 Po 變換器輸出功率（W）； Ae 磁芯截面（cm2）； AW磁芯窗口面積(cm2)； fS 變壓器工作頻率(Hz)。 比較式5-17和5-13可見，相同磁芯、頻率和電流密度條件下，推挽比正激輸出功率大一倍。 5-19maxSoWe50BfPAAAP4.3.5半橋和全橋變換器的磁芯尺寸計(jì)算變換器的磁芯尺寸計(jì)算 仍然假定在最低輸入電壓時(shí)，最大占空比為0.8，晶體管最大導(dǎo)通時(shí)間為0.8T/2。效率為0.8。線圈銅充填系數(shù)為0.4。其余符號(hào)與推挽、正激一致。 半橋變壓器半橋變壓器初級(jí)線圈

28、正向和反向?qū)ΨQ流過電流，初級(jí)電流有效值為 或 則輸出功率 dcdc894. 08 . 0IIIII12. 1dcIUIUDIUPdcminiminiiminio358. 012. 15 . 08 . 08 . 025-205-214.3.5半橋和全橋變換器的磁芯尺寸計(jì)算變換器的磁芯尺寸計(jì)算 而初級(jí)線圈銅面積為 或 5-22 于是 變壓器初級(jí)電壓UP=Ui/2,根據(jù)電磁感應(yīng)定律得到 式中B=2Bmax，Dmax=0.8。 PiPW12 . 0ANAAPWPi2 . 0NAAPWPi2 . 0NjAjAImaxeSPemaxPmaxePi104 . 042/2BAfNTABNTDBANU5-235

29、-244.3.5半橋和全橋變換器的磁芯尺寸計(jì)算變換器的磁芯尺寸計(jì)算 將式5-23，5-24代入式5-21得到 面積乘積為 式中 Po 變換器輸出功率（W）； Ae 磁芯截面（cm2）； AW磁芯窗口面積(cm2)； fS 變壓器工作頻率(Hz)。4PWmaxeSPminio102 . 010358. 0358. 0NAjBAfNIUP)(0286. 0maxWeSWBAAfmaxSoWe35BfPAAAP5-255-264.3.5半橋和全橋變換器的磁芯尺寸計(jì)算變換器的磁芯尺寸計(jì)算 全橋變壓器初級(jí)電壓比半橋大一倍，相同的磁芯，線圈匝數(shù)大一倍。如果輸出相同的功率，半橋初級(jí)比全橋?qū)Ь€截面積大一倍，因

30、此半橋和全橋初級(jí)線圈所占因此半橋和全橋初級(jí)線圈所占窗口面積是相同的。磁芯相同，工作條件相同，輸出窗口面積是相同的。磁芯相同，工作條件相同，輸出功率也相同。功率也相同。 工作頻率在50kHz以下，可選電流密度為4A/mm2，當(dāng)開關(guān)頻率升高時(shí)，考慮到集膚效應(yīng)，電流密度可適當(dāng)減小。 4.3.64.3.6常見磁芯的結(jié)構(gòu)參數(shù)常見磁芯的結(jié)構(gòu)參數(shù) EEEE磁芯磁芯外形和結(jié)構(gòu)示意圖如圖5-6所示，外形參數(shù)可參考相關(guān)資料。 圖56 EE磁芯外形和結(jié)構(gòu)示意圖 B F C D E A 4.3.64.3.6常見磁芯的結(jié)構(gòu)參數(shù)常見磁芯的結(jié)構(gòu)參數(shù)型號(hào)Type尺寸Dimensions（mm）磁芯參數(shù)AL（nH/N2）ABC

31、DEFAe（mm2）Aw（mm2）AP（mm4）HP1HP2LP3EEL1616.012.24.804.0012.010.219.2081.601566.72 800EE1919.18.004.804.8014.05.7023.0452.441208.22 17301150EEL1919.013.654.854.8514.011.423.52104.32453.63E2020.510.77.005.0014.07.0035.0063.002205 23401700EE2222.010.255.504.0016.57.8022.00 97.50 2145.00 1740

32、1000EE2525.010.06.556.5518.66.8042.9081.94 3515.43 355044501950EE25.425.410.06.306.5018.76.6040.95 80.523297.29 26302000EEL25.425.415.856.356.3519.012.740.32160.666478.01 25001330EE3333.013.7512.79.7023.59.25123.19127.65 15725.2 3940EE33A33.413.9512.79.7024.69.65123.19143.79 17712.9 3700EE4242.1521.

33、115.012.029.515.2180.00266.00 47880 4700EE42A42.1521.119.7512.029.515.2237.00266.0063042 6400EE5050.021.5514.614.634.213.1213.16256.76 54731 6110EE5555.1527.520.717.037.518.8351.90385.40135622 7100EE55B55.1527.524.717.037.518.8419.90385.40 161829 7200EE6565.232.527.019.6544.222.55530.55553.60293714

34、7800EE7070.535.524.516.748.024.65409.15771.55 315678 65004.3.64.3.6常見磁芯的結(jié)構(gòu)參數(shù)常見磁芯的結(jié)構(gòu)參數(shù) EI磁芯外形和結(jié)構(gòu)示意圖如圖5-7所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)可參考相關(guān)資料。 ADEIFBC圖5-7 EI磁芯外形和結(jié)構(gòu)示意圖4.3.64.3.6常見磁芯的結(jié)構(gòu)參數(shù)常見磁芯的結(jié)構(gòu)參數(shù)型號(hào)Type尺 寸Dimensions（mm）磁芯參數(shù)AL（nH/N2）ABCDEFAe（mm2）Aw（mm2）AP（mm4）HP1HP2LP3EI16B16.16.59.03.012.55.01.527.00 23.75 641.25 EI1616.014

35、.74.84.0011.810.82.0019.20 42.12 808.70 19502400 EI1919.015.94.854.8514.011.32.3523.5251.70 1216.05 23502900 EI2222.214.45.755.8012.810.54.533.35 36.75 1225.61 45007150 EI22A22.019.05.755.7516.011.04.0033.0656.38 1863.90 35004350 EI2525.119.06.756.5019.113.252.7543.8883.48 3662.47 35004300 EI2828.02

36、0.810.77.2018.612.83.5077.0472.96 5620.84 70009000 EI3030.021.2510.710.719.516.255.50114.4971.50 8186.04 8900 EI3333.023.512.79.723.619.05.00123.19132.05 16267.24 EI4141.026.211.811.828.020.27.20139.24163.62 22782.45 EI5050.033.314.814.834.024.89.00219.04238.08 52149.04 11300 EI7070.045.519.519.550.

37、035.510.5380.25541.38 205857.8 4.3.74.3.7線線 圈圈 電磁元件中，一般不可能沒有線圈。在低頻時(shí)，依據(jù)線圈直流電阻引起的允許損耗設(shè)計(jì)線圈。在給定損耗和散熱條件下，選取磁芯和導(dǎo)線尺寸。而低頻變壓器的寄生參數(shù)如漏感和激磁電感對(duì)變壓器影響較小，結(jié)構(gòu)工藝已十分成熟。在高頻開關(guān)電源中，損耗仍然是高頻磁性元件設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。但隨著開關(guān)電源工作頻率增加，高頻電流在線圈中流通產(chǎn)生嚴(yán)重的高頻效應(yīng)，加之寄生電感、電容的影響大大地?fù)p害了開關(guān)電源電路的性能效率降低、電壓尖峰、寄生振蕩和電磁干擾等。為了對(duì)付寄生效應(yīng)產(chǎn)生的有害影響，電路上采用了緩沖、箝位等措施改善高頻開關(guān)電源的性能，

38、從而使電路復(fù)雜化，可靠性降低。 4.3.84.3.8集集 膚膚 效效 應(yīng)應(yīng) 當(dāng)導(dǎo)體通過高頻電流時(shí)，變化的電流就要在導(dǎo)體內(nèi)和導(dǎo)體外產(chǎn)生變化的磁場垂直于電流方向，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，高頻磁場在導(dǎo)體內(nèi)沿長度方向產(chǎn)生感應(yīng)電勢。此感應(yīng)電勢在導(dǎo)體內(nèi)整個(gè)長度方向產(chǎn)生的渦流阻止磁通的變化。主電流和渦流之和在導(dǎo)線表面加強(qiáng)，越向?qū)Ь€中心越弱，電流趨向于導(dǎo)體表面，這就是集膚效應(yīng)，如圖5-8所示。 IB圖5-8 高頻電流引起集膚效應(yīng) 4.3.84.3.8集集 膚膚 效效 應(yīng)應(yīng) 當(dāng)交流的電流流過導(dǎo)體的時(shí)候，會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而導(dǎo)致電流向?qū)w表面擴(kuò)散。也就是導(dǎo)體表面的電流密度會(huì)大于中心的電流密度。這也就無形中減少了

39、導(dǎo)體的導(dǎo)電截面，從而增加了導(dǎo)體交流電阻，損耗增大)。會(huì)引起電線有效截面積的減小，取導(dǎo)線直徑約為2，其中集膚深度(工程上規(guī)定從導(dǎo)體表面到電流密度為導(dǎo)體表面的1/e0.368的距離為集膚深度)為 一般磁性元件的線圈溫度高于20。在導(dǎo)線溫度100時(shí)，穿透深度：2f1 .66f5 .764.3.94.3.9計(jì)算線圈電流有效值計(jì)算線圈電流有效值 線圈發(fā)熱是功率損耗引起的。在高頻情況下，交流分量電流產(chǎn)生交流電阻損耗，直流分量產(chǎn)生直流電阻損耗?？倱p耗是兩者之和。因此計(jì)算線圈損耗前應(yīng)當(dāng)計(jì)算線圈電流的有效值。 在開關(guān)電源中，有如圖5-9幾種可能的電流波形。其峰值IP，平均值Idc 和有效值I關(guān)系分別計(jì)算如下：

40、(a) (b) (c)圖5-9 開關(guān)電源中典型的電流波形TTTIPIPIPIaIaIaTonTonTonII4.3.94.3.9計(jì)算線圈電流有效值計(jì)算線圈電流有效值A(chǔ) A、梯形波、梯形波 開關(guān)電源中最常見的電流波形是梯形波(圖5-9(a)。例如推挽變壓器初級(jí)電流，正激變壓器初級(jí)和次級(jí)電流，電感電流連續(xù)模式單端反激變壓器初級(jí)電流等等。高電平時(shí)間定義為Ton，周期為T，峰值電流為IP，脈動(dòng)分量為I。占空比D=Ton/T，梯形波中值Ia=IP-I/2 ，電流波形的表達(dá)式為 )(0)0(2onn0aTtTiTttTIIIion4.3.94.3.9計(jì)算線圈電流有效值計(jì)算線圈電流有效值電流平均值，即直流分

41、量： 電流總有效值：根據(jù)有效值定義 5-28近似得到 a0ona0dconon211DIdttTIIITidtTITT1221122a02ona02ononIIDdttTIIITdtiTITTDIIa5-275-294.3.94.3.9計(jì)算線圈電流有效值計(jì)算線圈電流有效值B、斷續(xù)三角波斷續(xù)三角波 三角波電流波形(圖5-9(b)通常出現(xiàn)在電感電流斷續(xù)狀態(tài)。三角波各個(gè)電流關(guān)系為：電流平均值 5-30電流總有效值 5-31 2PdcDII3124P2P2PDIDIDII4.3.94.3.9計(jì)算線圈電流有效值計(jì)算線圈電流有效值C、連續(xù)三角波、連續(xù)三角波 電感電流連續(xù)時(shí)波形如圖5-9(c)。它是直流分量和一個(gè)幅度I/2 的三角波疊加而成的電流平均值 電流總有效值 adcIIa22a12IIII5-325-334.3.104.3.10變壓器線圈導(dǎo)線的選擇變壓器線圈導(dǎo)線的選擇 小電流時(shí)可直接選擇圓導(dǎo)線，導(dǎo)線直徑小于2倍的集膚深度； 電流較大時(shí)，可選擇多股絞繞圓導(dǎo)線，AWG園導(dǎo)線規(guī)格表見表（教材）所示。 電流較大時(shí)，也可以選擇利茲線或銅箔。但利茲線中單股線的直徑必須小于2倍的集膚深度，或銅箔的厚度小于集膚深度。 利茲線（Litz Wire）是由多根單獨(dú)絕緣的導(dǎo)線經(jīng)絞合或編織而成的電磁線( 電磁線是一種具有絕緣層的電線，它是以繞組形式來實(shí)現(xiàn)電磁能的轉(zhuǎn)化，又稱為繞組線