第4章開關(guān)電源中的高頻磁元件的設(shè)計(jì)ppt課件

1、123磁性資料的概述磁性資料的概述高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法磁性資料及鐵氧體磁性資料磁性資料及鐵氧體磁性資料根本內(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運(yùn)用。 當(dāng)變壓器用，可起作用為： 1) 電氣隔離；2) 變比不同，到達(dá)電壓升、降；3) 大功率整流副邊相移不同，有利紋波系數(shù)減?。?) 磁耦合傳送能量；5) 丈量電壓、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，維護(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

2、.1.14.1.1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。但又不易透徹掌握任務(wù)情況(包括磁資料特性的非線性，特性與溫度、頻率、氣隙的依賴性和不易丈量性)。在選用元件時(shí)，不像電子元件可以有現(xiàn)成廢品選擇。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、磁資料參數(shù)、銅損耗、鐵損耗等等。磁資料參數(shù)丈量因難，也添加了人們的困惑感。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 磁性資料的

3、磁化磁性資料的磁化 物質(zhì)的磁化需求外磁場(chǎng)。相對(duì)外磁場(chǎng)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(chǎng)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度顯著增大。磁場(chǎng)使得鐵磁物質(zhì)呈現(xiàn)磁性的景象稱為鐵磁物質(zhì)的磁化。鐵磁物質(zhì)之所以能被磁化，是由于這類物質(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(chǎng)作用時(shí)，這些磁疇陳列的方向是雜亂無章的(圖5-1(a)，小磁疇間的磁場(chǎng)是相互抵消的，整個(gè)磁介質(zhì)對(duì)外不呈現(xiàn)磁性。如給磁性資料加外磁場(chǎng)，資料中的磁疇順著磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，加強(qiáng)了資料內(nèi)的磁場(chǎng)。隨著外磁場(chǎng)加強(qiáng)，轉(zhuǎn)到外磁場(chǎng)方向的磁疇就越來越多，與外磁場(chǎng)同向的磁感應(yīng)強(qiáng)度就越強(qiáng)，如圖5-1(b)d所示，這就是說資料被磁化了。 HHH(a)

4、(b) (c) (d)圖5-1 鐵磁物質(zhì)磁化過程中的磁疇陳列4.1.3 4.1.3 磁性資料的磁化磁性資料的磁化1、磁性資料的磁化過程、磁性資料的磁化過程如將完全無磁形狀的鐵磁如將完全無磁形狀的鐵磁物質(zhì)放在磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)物質(zhì)放在磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)強(qiáng)度從零逐漸添加，丈強(qiáng)度從零逐漸添加，丈量鐵磁物質(zhì)的磁通密度量鐵磁物質(zhì)的磁通密度B，得到磁通密度和磁，得到磁通密度和磁場(chǎng)強(qiáng)度場(chǎng)強(qiáng)度H之間關(guān)系，并之間關(guān)系，并用用B-H曲線表示，該曲曲線表示，該曲線稱為磁化曲線，如圖線稱為磁化曲線，如圖5-2曲線曲線C所示。所示。 HB0abcABCtg=0圖5-2 鐵磁物質(zhì)的磁化特性 4.1.3 4.1.3 磁性資料的磁化磁性

5、資料的磁化 當(dāng)磁介質(zhì)置于磁場(chǎng)中，外磁場(chǎng)較弱時(shí)，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的添加，與外磁場(chǎng)方向相差不大的那部分磁疇逐漸轉(zhuǎn)向外磁場(chǎng)方向圖5-1b，磁感應(yīng)B隨外磁場(chǎng)添加而添加(圖5-2中oa段)。假設(shè)將外磁場(chǎng)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(chǎng)繼續(xù)增大時(shí)，與外磁場(chǎng)方向相近的磁疇曾經(jīng)趨向于外磁場(chǎng)方向，那些與磁場(chǎng)方向相差較大的磁疇抑制“摩擦，也開場(chǎng)轉(zhuǎn)向外磁場(chǎng)方向圖5-1c，因此磁感應(yīng)B隨H增大急劇上升，如磁化曲線ab段。假設(shè)把a(bǔ)b段放大了看，曲線呈現(xiàn)階梯狀，闡明磁化過程是騰躍式進(jìn)展的。假設(shè)這時(shí)減少外磁場(chǎng)，B將不再沿ba段回到零，過程是不可逆的。 4.1.3 4

6、.1.3 磁性資料的磁化磁性資料的磁化2、飽和磁滯回線、飽和磁滯回線 假設(shè)將鐵磁物質(zhì)沿磁化曲線假設(shè)將鐵磁物質(zhì)沿磁化曲線OS 由由完全去磁形狀磁化到飽和完全去磁形狀磁化到飽和Bs如圖如圖5-3 所示，此時(shí)如將所示，此時(shí)如將外磁場(chǎng)外磁場(chǎng)H 減小，減小，B值將不再按值將不再按照原來的初始磁化曲線照原來的初始磁化曲線(0S)減減小，而是更加緩慢地沿較高的小，而是更加緩慢地沿較高的B 減小，這是由于發(fā)生剛性轉(zhuǎn)減小，這是由于發(fā)生剛性轉(zhuǎn)動(dòng)的磁疇保管了外磁場(chǎng)方向。動(dòng)的磁疇保管了外磁場(chǎng)方向。即使外磁場(chǎng)即使外磁場(chǎng)H=0時(shí)，時(shí)，B0，即，即尚有剩余的磁感應(yīng)強(qiáng)度尚有剩余的磁感應(yīng)強(qiáng)度Br 存在。存在。這種磁化曲線與退磁

7、曲線不重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。合特性稱為磁化的不可逆性。磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B 的改動(dòng)滯后于磁的改動(dòng)滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度場(chǎng)強(qiáng)度H 的景象稱為磁滯景象。的景象稱為磁滯景象。 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 磁性資料的磁化磁性資料的磁化1、初始磁導(dǎo)率、初始磁導(dǎo)率 初始磁導(dǎo)率是磁性資料的磁化曲線始端磁導(dǎo)率的極限值，初始磁導(dǎo)率是磁性資料的磁化曲線始端磁導(dǎo)率的極限值，即：即： 式中式中 m0真空磁導(dǎo)率真空磁導(dǎo)率(4p107H/m) ；H 磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度(A/m)；B 磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度(T)。2、有效磁

8、導(dǎo)率、有效磁導(dǎo)率mr 在閉合磁路中，或多或少地存在著氣隙，假設(shè)氣隙很小可在閉合磁路中，或多或少地存在著氣隙，假設(shè)氣隙很小可以忽略，那么可以用有效磁導(dǎo)率來表征磁芯的導(dǎo)磁才干以忽略，那么可以用有效磁導(dǎo)率來表征磁芯的導(dǎo)磁才干:式中式中L線圈的自感量線圈的自感量(mH)；N 線圈匝數(shù)；線圈匝數(shù)；l/Ae 磁磁芯常數(shù)，是磁路長(zhǎng)度與磁芯截面積芯常數(shù)，是磁路長(zhǎng)度與磁芯截面積Ae之比值之比值(mm-1)HBLimHi0017e2r104AlNL 5-1 5-2 4.1.4 4.1.4 磁性資料的根本特性磁性資料的根本特性 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(chǎng)強(qiáng)度隨磁芯中磁場(chǎng)強(qiáng)度H添加，磁感應(yīng)強(qiáng)

9、度出現(xiàn)添加，磁感應(yīng)強(qiáng)度出現(xiàn)飽 和 時(shí) 的飽 和 時(shí) 的 B 值 ， 稱 飽 和 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度值 ， 稱 飽 和 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度Bs(mT)(如圖如圖5-3所示所示)。 4、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br 磁芯從磁飽和形狀去除磁場(chǎng)后，剩余的磁感磁芯從磁飽和形狀去除磁場(chǎng)后，剩余的磁感應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)強(qiáng)度(或稱殘留磁通密度或稱殘留磁通密度) (如圖如圖5-3所所示示)。 5、矯頑力、矯頑力HC 磁芯從飽和形狀去除磁場(chǎng)后，繼續(xù)反向磁化磁芯從飽和形狀去除磁場(chǎng)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(chǎng)直至磁感應(yīng)強(qiáng)度減小到零，此時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度稱為矯頑力強(qiáng)度稱為矯頑力(或保磁力或保磁力) (如圖如

10、圖5-3所所示示) 4.1.4 4.1.4 磁性資料的根本特性磁性資料的根本特性 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)am溫度系數(shù)為溫度在溫度系數(shù)為溫度在T1至至T2范圍內(nèi)變化范圍內(nèi)變化1oC時(shí)，每相應(yīng)磁導(dǎo)率的相對(duì)變化量，即時(shí)，每相應(yīng)磁導(dǎo)率的相對(duì)變化量，即m1溫度為溫度為T1時(shí)的磁導(dǎo)率；時(shí)的磁導(dǎo)率；m2溫度為溫度為T2時(shí)的磁導(dǎo)率時(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形狀由鐵磁性轉(zhuǎn)變成順磁性。其定義如在該溫度下磁芯的磁形狀由鐵磁性轉(zhuǎn)變成順磁性。其定義如圖圖54所示，即在所示，即在mT曲線上，曲線上，80mmax與

11、與20mmax連線與連線與m=1的交叉點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的溫度，即為居里溫度的交叉點(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 磁性資料的根本特性磁性資料的根本特性 8 8、磁芯損耗、磁芯損耗( (鐵損鐵損) Pc ) Pc 磁芯損耗包括：磁滯損耗、渦流損耗、殘留損耗。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耗費(fèi)的能量，表為磁滯損耗是交流磁化所耗費(fèi)的能量，表為 作為工程計(jì)算，可用式作為工程計(jì)算，可用式 計(jì)算。計(jì)算。其中：其中：f f 頻率；頻率；BmBm最大磁通密度；最大磁

12、通密度；ChCh磁滯損磁滯損耗系數(shù)，因材質(zhì)而異。耗系數(shù)，因材質(zhì)而異。渦流損耗是交變磁場(chǎng)在磁芯中產(chǎn)生環(huán)流引起的歐姆損耗，渦流損耗是交變磁場(chǎng)在磁芯中產(chǎn)生環(huán)流引起的歐姆損耗，表表為為 其中其中CeCe磁滯損耗系數(shù)，大小取決于資料電阻率。磁滯損耗系數(shù)，大小取決于資料電阻率。殘留損耗是由磁化延遲及磁矩共振等呵斥，前兩項(xiàng)是主要?dú)埩魮p耗是由磁化延遲及磁矩共振等呵斥，前兩項(xiàng)是主要的。的。HPfVHdB1.6HhmPCf BV222eemPCfBV 5-3 4.1.4 4.1.4 磁性資料的根本特性磁性資料的根本特性 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，即電感系數(shù)是磁芯上每一匝線

13、圈產(chǎn)生的自感量，即 式中：式中：L 有磁芯的線圈的自感量有磁芯的線圈的自感量(H) N 線圈匝數(shù)。線圈匝數(shù)。)/(22LNHNLA 4.1.4 4.1.4 磁性資料的根本特性磁性資料的根本特性 4.2.14.2.1、磁芯磁性能、磁芯磁性能 各種磁芯材質(zhì)外表雖類似，但磁性能能夠有極大差別。開關(guān)電源高頻變壓器磁芯多是低磁場(chǎng)下運(yùn)用的軟磁資料，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)，經(jīng)過不大的激磁電流就能有較高的磁感應(yīng)強(qiáng)度，線圈就能接受較高的外加電壓，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，那么鐵耗也小。高的電阻率，那么渦流小，鐵耗小。金屬軟

14、磁資料在開關(guān)電源中用得較少，只是如鐵鎳合金、鐵鋁合金薄片的鐵芯根本適宜。有一種軟磁資料是鐵氧體，鐵氧體是復(fù)合氧化物燒結(jié)體，電阻率很高，適宜高頻下運(yùn)用，但Bs值比金屬軟磁資料小得多，較普遍運(yùn)用在開關(guān)電源中。在設(shè)計(jì)時(shí)必需從選擇適宜的磁芯資料開場(chǎng)。各種鐵芯資料之特性比較如下表所示。 類別稱號(hào)資料導(dǎo)磁率mrBsGskHz特點(diǎn)闡明金屬鐵芯硅鋼片(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30kHz以下運(yùn)用，這些資料電阻率低坡莫合金(permalloyNiFe200007500約30超級(jí)坡莫合金supermalloyNiFe10000078

15、00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、高頻運(yùn)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 FerriteMn，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)錢低宜高頻運(yùn)用鎳鋅鐵氧體(NiZn F

16、errite)Ni，Zn，F(xiàn)e15500約3000約100000銅鎂鋅鐵氧體CuMgZn FerriteCu，Mg，Zn，F(xiàn)e約10 約2000004.2.14.2.1、磁芯磁性能、磁芯磁性能 根本構(gòu)造有：疊片，通常由硅鋼或鎳鋼薄片沖剪成E、I、F、O等外形，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(zhǎng)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陷，由二個(gè)C型鐵芯對(duì)接而成。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構(gòu)造方式，可以減少EMI。缺陷是內(nèi)部線圈散

17、熱不良，溫升較高，因此只在小功率變換器中運(yùn)用。 假設(shè)把罐形鐵芯外園切掉一部分，那么變成通風(fēng)良好，從而處理溫升過高的問題。從改善通風(fēng)出發(fā)因此有圖5-5所示的各種磁芯方式。 4.2.24.2.2、磁芯構(gòu)造、磁芯構(gòu)造 圖 5-5為處理PQ型散熱出現(xiàn)的各種鐵芯表示圖 4.2.24.2.2、磁芯構(gòu)造、磁芯構(gòu)造 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)，該當(dāng)預(yù)先知道電路拓?fù)?、任?wù)頻率、輸入和輸出電壓、輸出功率或輸出電流以及環(huán)境條件。同時(shí)還該當(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稱心任務(wù)。 變壓器的設(shè)計(jì)主要就是指變壓器

18、磁芯選擇外形、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)普通電壓較高，調(diào)整初級(jí)匝數(shù)和匝比不困難。次級(jí)普通匝數(shù)較少，任務(wù)頻率越高，次級(jí)有能夠只需一匝，甚至少于一匝，假設(shè)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)能夠是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，取整能夠選擇2匝，為堅(jiān)持原來的匝比，一切線圈匝數(shù)添加25。一樣尺寸的磁芯和窗口，要在原來的窗口中繞不下總線圈。假設(shè)加大了電流密度，那么大大添加了線圈損耗。反之，選擇1匝，但磁芯中的磁通密度

19、添加1/3，磁芯損耗能夠添加一倍。 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，但有普通規(guī)律可循。首先，決議額定UiD時(shí)到達(dá)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)踐需求的整數(shù)。在取整數(shù)匝前最好折衷處置，試試幾個(gè)能夠。從最低電壓次級(jí)開場(chǎng)，由于小的數(shù)字整數(shù)化百分比最大。特別是假設(shè)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)理的也是低壓輸出，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)下降將添加磁芯損耗，上升將添加線圈損耗。假設(shè)添加的損耗太大，必需重新選擇磁芯，以便僅需求很少變動(dòng)就可調(diào)整到整

20、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磁芯資料磁芯資料 功率鐵氧體，高頻下資料具有很高電阻率，因此渦流損耗功率鐵氧體，高頻下資料具有很高電阻率，因此渦流損耗低、價(jià)錢低是高頻變壓器磁芯首選資料。但磁導(dǎo)率通常低、價(jià)錢低是高頻變壓器磁芯首選資料。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較低，磁化電流因此較大，有時(shí)需用緩沖和箝位電路處置。置。 對(duì)于合金資料磁芯，如鈷基非晶合金和微晶合金，這些資對(duì)于合金資料磁芯，如鈷基非晶合金和微晶合金，這些資料具有較高的電阻率，通常軋成很薄的帶料，可以用在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。普

21、通合金資料雖然飽和磁通密度比鐵氧體資較高頻率。普通合金資料雖然飽和磁通密度比鐵氧體資料大得多，這通常是無關(guān)緊要的，由于磁通密度擺幅嚴(yán)料大得多，這通常是無關(guān)緊要的，由于磁通密度擺幅嚴(yán)重受渦流損耗限制。同時(shí)價(jià)錢要素也影響資料的選擇。重受渦流損耗限制。同時(shí)價(jià)錢要素也影響資料的選擇。在高溫暖沖擊、振動(dòng)大的地方，需采用合金資料磁芯外，在高溫暖沖擊、振動(dòng)大的地方，需采用合金資料磁芯外，普通變壓器磁芯最好選擇鐵氧體。普通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磁芯外形磁芯外形 磁芯窗口應(yīng)盡能夠?qū)?。加大線圈寬度可減少線圈的層數(shù)。使磁芯窗口應(yīng)盡能夠?qū)?。加大線圈寬

22、度可減少線圈的層數(shù)。使交流電阻交流電阻RacRac和漏感減少。還有，固定的爬電尺寸對(duì)寬窗和漏感減少。還有，固定的爬電尺寸對(duì)寬窗口影響較小。寬窗口需求線圈高度低，因此更好利用線圈口影響較小。寬窗口需求線圈高度低，因此更好利用線圈窗口面積。窗口面積。鐵氧體磁芯有罐型鐵氧體磁芯有罐型( (國(guó)產(chǎn)國(guó)產(chǎn)GUGU型，國(guó)際型，國(guó)際P P型型) )、PMPM、RMRM、PQPQ、EEEE、ECEC、EPEP、ETDETD、RCRC、UUUU和和UIUI各種型號(hào)，以及新近開展的平各種型號(hào)，以及新近開展的平面磁芯，如面磁芯，如EFD,EPC,LPEFD,EPC,LP型等磁芯。型等磁芯。 罐型和罐型和PQPQ型磁芯具

23、有較小的窗口面積，窗口外形幾乎是正方型磁芯具有較小的窗口面積，窗口外形幾乎是正方的。罐的。罐(P)(P)型和型和PQPQ型磁芯比型磁芯比EEEE磁芯有較好的磁屏蔽的優(yōu)點(diǎn)，磁芯有較好的磁屏蔽的優(yōu)點(diǎn)，減少了減少了EMIEMI的傳播，用于的傳播，用于EMCEMC要求嚴(yán)厲的地方。爬電尺寸耗要求嚴(yán)厲的地方。爬電尺寸耗費(fèi)了窗口面積的大部分，窗口寬度遠(yuǎn)不是最正確，只用于費(fèi)了窗口面積的大部分，窗口寬度遠(yuǎn)不是最正確，只用于125W125W以下低功率場(chǎng)所。大功率運(yùn)用散熱困難。缺陷是引出以下低功率場(chǎng)所。大功率運(yùn)用散熱困難。缺陷是引出線缺口小，大電流出線困難。也不適宜多路輸出，輸出出線缺口小，大電流出線困難。也不適宜

24、多路輸出，輸出出線太多。也不宜高壓運(yùn)用，由于出線的平安絕緣處置困難。線太多。也不宜高壓運(yùn)用，由于出線的平安絕緣處置困難。 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)窗口寬而高度低的構(gòu)造，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，散熱方便，可處置大功率。但電磁干擾較大。 EC，ETD磁芯的中柱圓形截面與EE型一樣矩形截面積時(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)不同的任務(wù)頻率和磁

25、通擺幅，傳輸功率范圍從5W到高達(dá)5kW。假設(shè)將兩副EE型磁芯合并作為一體運(yùn)用，傳輸功率甚至可達(dá)10kW。兩副磁芯合并運(yùn)用時(shí)，磁芯面積加倍，如磁通擺幅和頻率堅(jiān)持不變，匝數(shù)減少一半，功率加倍比運(yùn)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先求出磁芯窗口面積AwAw與磁芯有效截面積與磁芯有效截面積AeAe的的乘積乘積AP(APAP(APAwAwAeAe，稱磁芯面積乘積，稱磁芯面積乘積) )。根據(jù)。根據(jù)APAP值，查

26、表找出所需磁性資料之編號(hào)，謂之值，查表找出所需磁性資料之編號(hào)，謂之APAP法；第二種是先求出幾何參數(shù)，查表找出磁芯法；第二種是先求出幾何參數(shù)，查表找出磁芯編號(hào)，再進(jìn)展設(shè)計(jì)，稱為編號(hào)，再進(jìn)展設(shè)計(jì)，稱為KgKg法；第三種是直接法；第三種是直接根據(jù)電路拓?fù)?、輸出功率、開關(guān)頻率、磁芯資根據(jù)電路拓?fù)?、輸出功率、開關(guān)頻率、磁芯資料和外形查表得出磁芯型號(hào)，為查表法。這里料和外形查表得出磁芯型號(hào)，為查表法。這里我們主要引見我們主要引見APAP法。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法閱歷公式：法閱歷公式： 其中其中 Po Po 輸出功率輸出功率(W)(W)； DB DB 磁

27、通密度變化量磁通密度變化量(T)(T)； fS fS 變壓器任務(wù)頻率變壓器任務(wù)頻率(Hz)(Hz)； K 0.014 K 0.014正激變換器，推挽中心抽頭正激變換器，推挽中心抽頭 0.017 0.017全橋，半橋。全橋，半橋。 公式是基于線圈電流密度公式是基于線圈電流密度420A/cm2420A/cm2，并假定窗，并假定窗口充填系數(shù)是口充填系數(shù)是4040。 cm4cm43/4SoWeBKfPAAAP 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。普通輸出電流脈動(dòng)分量I=0.2Io， Io次級(jí)斜坡電流的中值。如忽略

28、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該當(dāng)小于0.5。同時(shí)為了能接受突加負(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 . 0IUIUIDUPPdcdcdc632. 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)

29、；DB在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)磁通密度擺幅(T)；ton 導(dǎo)通時(shí)間sIUIUIUPminiminidcminio506. 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 . 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 假設(shè)假定初級(jí)和一切次級(jí)線圈的電流密度一樣。忽略復(fù)位線圈所占的窗口，因

30、僅流過磁化電流。令磁芯窗口面積，初級(jí)線圈面積，一切次級(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)。假設(shè)充填系數(shù)為0.4，且A1A2，有 或 5-11 電流密度jA/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)算正激變換器的磁芯尺寸計(jì)算 將式(5-12)代入式(5-10),思索到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 變壓器任務(wù)頻率(Hz)。4PWSemaxPSemaxPo

31、102 . 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)踐是兩個(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)電流密度一樣。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 . 0ANAAPW

32、Pi1 . 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思索到式516，得到 5-18maxeSPemaxPonePi54 . 02BAfNTABNtBANU4PWmaxeSPminio101 . 005. 501. 1NAjBAfNIUP2maxWeS5maxWeS1002. 21005. 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 變壓器任務(wù)頻率(Hz)。 比較式5-17和5-13可見

33、，一樣磁芯、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 依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。其他符號(hào)與推挽、正激一致。 半橋變壓器初級(jí)線圈正向和反向?qū)ΨQ流過電流，初級(jí)電流有效值為 或 那么輸出功率 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 而初級(jí)線圈銅面積為

34、 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 . 042/2BAfNTABNTDBANU5-235-244.3.5半橋和全橋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 變壓器任務(wù)頻率(Hz)。4PWmaxeSPminio102 . 010358. 0358. 0NAjBAfNIUP)

35、(0286. 0maxWeSWBAAfmaxSoWe35BfPAAAP5-255-264.3.5半橋和全橋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，一樣的磁芯，線圈匝數(shù)大一倍。假設(shè)輸出一樣的功率，半橋初級(jí)比全橋?qū)Ь€截面積大一倍，因此半橋和全橋初級(jí)線圈所占窗口面積是一樣的。磁芯一樣，任務(wù)條件一樣，輸出功率也一樣。 任務(wù)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)，思索到集膚效應(yīng)，電流密度可適當(dāng)減小。 4.3.64.3.6常見磁芯的構(gòu)造參數(shù)常見磁芯的構(gòu)造參數(shù) EEEE磁芯外形和構(gòu)造表示圖如圖磁芯外形和構(gòu)造表示圖如圖5-65-6所示，外形參數(shù)可參所示，外形參數(shù)可參考

36、相關(guān)資料?？枷嚓P(guān)資料。 圖56 EE磁芯外形和構(gòu)造表示圖 B F C D E A 4.3.64.3.6常見磁芯的構(gòu)造參數(shù)常見磁芯的構(gòu)造參數(shù)型號(hào)Type尺寸Dimensionsmm磁芯參數(shù)ALnH/N2ABCDEFAemm2Awmm2APmm4HP1HP2LP3EEL1616.012.24.804.0012.010.219.2081.601566.72 800EE1919.18.004.804.8014.05.7023.0452.441208.22 17301150EEL1919.013.654.854.8514.011.423.52104.32453.63E2020.

37、510.77.005.0014.07.0035.0063.002205 23401700EE2222.010.255.504.0016.57.8022.00 97.50 2145.00 17401000EE2525.010.06.556.5518.66.8042.9081.94 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.

38、59.25123.19127.65 15725.2 3940EE33A33.413.9512.79.7024.69.65123.19143.79 17712.9 3700EE4242.1521.115.012.029.515.2180.00266.00 47880 4700EE42A42.1521.119.7512.029.515.2237.00266.0063042 6400EE5050.021.5514.614.634.213.1213.16256.76 54731 6110EE5555.1527.520.717.037.518.8351.90385.40622 7100EE55B55.1

39、527.524.717.037.518.8419.90385.40 161829 7200EE6565.232.527.019.6544.222.55530.55553.60293714 7800EE7070.535.524.516.748.024.65409.15771.55 315678 65004.3.64.3.6常見磁芯的構(gòu)造參數(shù)常見磁芯的構(gòu)造參數(shù) EI磁芯外形和構(gòu)造表示圖如圖5-7所示，構(gòu)造參數(shù)可參考相關(guān)資料。 ADEIFBC圖5-7 EI磁芯外形和構(gòu)造表示圖4.3.64.3.6常見磁芯的構(gòu)造參數(shù)常見磁芯的構(gòu)造參數(shù)型號(hào)Type尺 寸Dimensionsmm磁芯參數(shù)ALnH/N2ABC

40、DEFAemm2Awmm2APmm4HP1HP2LP3EI16B16.16.59.03.012.55.01.527.00 23.75 641.25 EI1616.014.74.84.0011.810.82.0019.20 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 EI22A22.019.05.755.7516.011.04.0033.0656.38 186

41、3.90 35004350 EI2525.119.06.756.5019.113.252.7543.8883.48 3662.47 35004300 EI2828.020.810.77.2018.612.83.5077.0472.96 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 EI4141.026.211.811.828.020.27.20.24163.62 22782.45 EI

42、5050.033.314.814.834.024.89.00219.04238.08 52149.04 11300 EI7070.045.519.519.550.035.510.5380.25541.38 205857.8 4.3.74.3.7線線 圈圈 電磁元件中，普通不能夠沒有線圈。在低頻時(shí)，根據(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，構(gòu)造工藝已非常成熟。在高頻開關(guān)電源中，損耗依然是高頻磁性元件設(shè)計(jì)的重要根據(jù)。但隨著開關(guān)電源任務(wù)頻率添加，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

43、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，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)體經(jīng)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(chǎng)垂直于電流方向，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，高頻磁場(chǎng)在導(dǎo)體內(nèi)沿長(zhǎng)度方向產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。此感應(yīng)電勢(shì)在導(dǎo)體內(nèi)整個(gè)長(zhǎng)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)線外表加強(qiáng)，越導(dǎo)游線中心越弱，電流趨向于導(dǎo)體外表，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

44、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)致電流導(dǎo)游體外表分散。也就是導(dǎo)體外表的電流密度會(huì)大于中心的電流密度。這也就無形中減少了導(dǎo)體的導(dǎo)電截面，從而添加了導(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)體外表到電流密度為導(dǎo)體外表的1/e0.368的間隔為集膚深度)為 普通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

45、耗是兩者之和。因此計(jì)算線圈損耗前該當(dāng)計(jì)算線圈電流的有效值。 在開關(guān)電源中，有如圖5-9幾種能夠的電流波形。其峰值IP，平均值Idc 和有效值I關(guān)系分別計(jì)算如下： (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開關(guān)電源中最常見的電流波形是梯形波( (圖圖5-9(a)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，電感電流延續(xù)方式單端反激變壓器初級(jí)級(jí)電流，電感電流延續(xù)方

46、式單端反激變壓器初級(jí)電流等等。高電平常間定義為電流等等。高電平常間定義為TonTon，周期為，周期為T T，峰，峰值電流為值電流為IPIP，脈動(dòng)分量為，脈動(dòng)分量為DIDI。占空比。占空比D=Ton/TD=Ton/T，梯形波中值梯形波中值Ia=IP-DI/2 Ia=IP-DI/2 ，電流波形的表達(dá)式為，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，即直流分量： 電流總有效值：根據(jù)有效值定義 5-28近似得到 a0ona0dconon211DIdttTIIITidtTITT1221122a02ona02o

47、nonIIDdttTIIITdtiTITTDIIa5-275-294.3.94.3.9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 三角波電流波形三角波電流波形(圖圖5-9(b)通常出如今電感電流斷通常出如今電感電流斷續(xù)形狀。三角波各個(gè)電流關(guān)系為：續(xù)形狀。三角波各個(gè)電流關(guān)系為：電流平均值電流平均值 5-30電流總有效值電流總有效值 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、延續(xù)三角波、延續(xù)三角波 電感電流延續(xù)時(shí)波形如圖電感電流延續(xù)時(shí)波形如圖5-9(c)。它是直流分量和一個(gè)幅度。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的三角波疊加而成的電流平均值 電流總有效值電流總有效值 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需小于2倍的集膚深度，或銅箔的厚度小于集膚深度。