高頻電源變壓器磁芯的設(shè)計(jì)原理

1、高頻電源變壓器磁芯的設(shè)計(jì)原理1  引言         電子信息產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)高頻開(kāi)關(guān)式電源不斷提出新的要求。據(jù)報(bào)導(dǎo)，全球開(kāi)關(guān)電源市場(chǎng)規(guī)模已超過(guò)100億美元1。通信、計(jì)算機(jī)和消費(fèi)電子產(chǎn)品是開(kāi)關(guān)電源的三大主力市場(chǎng)。龐大的開(kāi)關(guān)電源市場(chǎng)主要由AC/DC和DC/DC開(kāi)關(guān)電源兩部分組成。據(jù)預(yù)測(cè)，AC/DC開(kāi)關(guān)電源全球銷售收入將從1999年的91億美元增加到2004年的122億美元，年平均增長(zhǎng)率為5.9%。低功率（0300W）的AC/DC將面向增長(zhǎng)平穩(wěn)的消費(fèi)電子產(chǎn)品和計(jì)算機(jī)市場(chǎng)；大功率（7501500W）的AC/DC電源將

2、面向增長(zhǎng)強(qiáng)勁的電信市場(chǎng)。DC/DC電源約占整個(gè)開(kāi)關(guān)電源市場(chǎng)的30%，但計(jì)算機(jī)與通信技術(shù)的快速融合，帶動(dòng)了DC/DC模塊式電源的迅速增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)今后幾年，DC/DC電源模塊增長(zhǎng)速度將超過(guò)AC/DC電源，有人估計(jì)，中國(guó)今后五年，DC/DC電源模塊市場(chǎng)年增長(zhǎng)將達(dá)15%，增長(zhǎng)主要是在電信領(lǐng)域。開(kāi)關(guān)式電源技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是高密度、高效率、低噪聲，以及表面貼裝化。無(wú)論是AC/DC或DC/DC電源，除了功率晶體管外，由軟磁鐵氧體磁芯制成的主變壓器、扼流圈及其它電感器（如抗噪聲濾波器）是極重要的元件，其磁性能和尺寸直接關(guān)系到電源的轉(zhuǎn)換效率和功率密度等。在變壓器設(shè)計(jì)中，主要包括繞組設(shè)計(jì)和磁芯設(shè)計(jì)。本文擬重點(diǎn)討論涉及主

3、變壓器磁芯設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的通過(guò)功率、性能因子、熱阻等參數(shù)，并對(duì)降低磁芯總損耗提出了材料微觀設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的方法。        2電源變壓器磁芯性能要求及材料分類            為了滿足開(kāi)關(guān)電源提高效率和減小尺寸、重量的要求，需要一種高磁通密度和高頻低損耗的變壓器磁芯。雖然有高性能的非晶態(tài)軟磁合金競(jìng)爭(zhēng)，但從性能價(jià)格比考慮，軟磁鐵氧體材料仍是最佳的選擇；特別在100kHz到1MHz的高頻領(lǐng)域，新的低損耗的高頻功率鐵氧體材料更有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。為了最

4、大限度地利用磁芯，對(duì)于較大功率運(yùn)行條件下的軟磁鐵氧體材料，在高溫工作范圍（如80100），應(yīng)具有以下最主要的磁特性： 1）高的飽和磁通密度或高的振幅磁導(dǎo)率。這樣變壓器磁芯在規(guī)定頻率下允許有一個(gè)大的磁通偏移，其結(jié)果可減少匝數(shù)；這也有利于鐵氧體的高頻應(yīng)用，因?yàn)榻刂诡l率正比于飽和磁通密度。 2）在工作頻率范圍有低的磁芯總損耗。在給定溫升條件下，低的磁芯損耗將允許有高的通過(guò)功率。     附帶的要求則還有高的居里點(diǎn)，高的電阻率，良好的機(jī)械強(qiáng)度等。     新發(fā)布的“軟磁鐵氧體材料分類”行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（等同IEC61332：199

5、5），將高磁通密度應(yīng)用的功率鐵氧體材料分為五類，見(jiàn)表1。每類鐵氧體材料除了對(duì)振幅磁導(dǎo)率和功率損耗提出要求外，還提出了“性能因子”參數(shù)（此參數(shù)將在下面進(jìn)一步敘述）。從PW1PW5類別，其適用工作頻率是逐步提高的，如PW1材料，適用頻率為15100kHz，主要應(yīng)用于回掃變壓器磁芯；PW2材料，適用頻率為25200kHz，主要應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源變壓器磁芯；PW3材料，適用頻率為100300kHz；PW4材料適用頻率為300kHz1MHz；PW5材料適用頻率為13MHz?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)已能生產(chǎn)相當(dāng)于PW1PW3材料，PW4材料只能小量試生產(chǎn)，PW5材料尚有待開(kāi)發(fā)。 3  變壓器可傳輸功率 眾所周知，變

6、壓器的可傳輸功率Pth正比于工作頻率f，最大可允許磁通密度Bmax(或可允許磁通偏移B)和磁路截面積Ae，并表示為 Pth = CfBmaxAeWd           （1） 式中，C為與開(kāi)關(guān)電源電路工作型式有關(guān)的系數(shù)（如推挽式C=1；正向變換器C=0.71；反向變換器C=0.61）；Wd為繞組設(shè)計(jì)參數(shù)（包含電流密度S，占空因子fCu，繞組截面積AN等）。 這里，我們重點(diǎn)討論（fBmaxAe）參數(shù)（暫不討論繞組設(shè)計(jì)參數(shù)Wd）。增大磁芯尺寸（增大Ae）可提高變壓器通過(guò)功率，但當(dāng)前開(kāi)關(guān)電源的目標(biāo)是

7、在給定通過(guò)功率下要減小尺寸和重量。假定固定溫升，對(duì)一個(gè)給定尺寸的磁芯，通過(guò)功率近似正比于頻率。圖1示出變壓器可傳輸功率Pth與頻率f的關(guān)系。提高開(kāi)關(guān)頻率除了要應(yīng)用快速晶體管以外，還受其它電路影響所限制，如電壓和電流的快速改變，在開(kāi)關(guān)電路中產(chǎn)生擴(kuò)大的諧波譜線，造成無(wú)線電頻率干擾，電源的輻射。對(duì)變壓器磁芯來(lái)說(shuō)，提高工作頻率則要求改進(jìn)高頻磁芯損耗。圖1中N67材料（西門子公司）比N27材料有更低的磁芯損耗，允許更大的磁通密度偏移B，因而變壓器可傳輸更大的功率。圖2示出磁芯損耗與頻率的關(guān)系。磁芯總損耗PL與工作頻率f及工作磁通密度B的關(guān)系由下式表示： PL=KfmBnVe    （2）  式中，n是Steinmetz指數(shù)，對(duì)功率鐵氧體來(lái)說(shuō)，典型值是2.5；指數(shù)m=11.3