幾種常用磁性器件中磁芯的選用及設(shè)計

幾種常用磁性器件中磁芯的選用及設(shè)計開關(guān)電源中使用的磁性器件較多，其中常用的軟磁器件有：作為開關(guān)電源核心器件的主變壓器（高頻功率變壓器）、共模扼流圈、高頻磁放大器、濾波阻流圈、尖峰信號抑制器等。不同的器件對材料的性能要求各不相同，如表所示為各種不同器件對磁性材料的性能要求。應(yīng)用主變壓器磁放大揩常模電感共模電感「峰抑制描冷山忠波|法高［g高Bs.1-II高［卜1"秒芯性i'.'.'jII-低損耗高IL低損耗低損耗低損耗能要求itfTc低He高I'.'.Jm￥r■卜恒定的：n1低損耗低損耗（一）、高頻功率變壓器變壓器鐵芯的大小取決于輸出功率和溫升等。變壓器的設(shè)計公式如下：P=KfNBSIx10-6T=hcPc+hwPW其中，P為電功率；K為與波形有關(guān)的系數(shù)；￡為頻率；N為匝數(shù)；5為鐵芯面積；B為工作磁感；【為電流；T為溫升；Pc為鐵損；PW為銅損；hc和hW為由實驗確定的系數(shù)。由以上公式可以看出：高的工作磁感B可以得到大的輸出功率或減少體積重量。但B值的增加受到材料的Bs值的限制。而頻率f可以提高幾個數(shù)量級，從而有可能使體積重量顯著減小。而低的鐵芯損耗可以降低溫升，溫升反過來又影響使用頻率和工作磁感的選取。一般來說，開關(guān)電源對材料的主要要求是：盡量低的高頻損耗、足夠高的飽和磁感、高的磁導(dǎo)率、足夠高的居里溫度和好的溫度穩(wěn)定性，有些用途要求較高的矩形比，對應(yīng)力等不敏感、穩(wěn)定性好，價格低。單端式變壓器因為鐵芯工作在磁滯回線的第一象限，對材料磁性的要求有別于前述主變壓器。它實際上是一只單端脈沖變壓器，因而要求具有大的B=Bm—Br，即磁感Bm和剩磁Br之差要大；同時要求高的脈沖磁導(dǎo)率。特別是對于單端反激式開關(guān)主變壓器，或稱儲能變壓器，要考慮儲能要求。線圈儲能的多少取決于兩個因素：一個是材料的工作磁感Bm值或電感量L，另一個是工作磁場Hm或工作電流I，儲能W=l/2Ll2。這就要求材料有足夠高的Bs值和合適的磁導(dǎo)率，常為寬恒導(dǎo)磁材料。對于工作在士Bm之間的變壓器來說，要求其磁滯回線的面積，特別是在高頻下的回線面積要小，同時為降低空載損耗、減小勵磁電流，應(yīng)有高磁導(dǎo)率，最合適的為封閉式環(huán)形鐵芯，其磁滯回線見圖所示，這種鐵芯用于雙端或全橋式工作狀態(tài)的器件中。的他一同一通常，金屬晶態(tài)材料要降低高頻下的鐵損是不容易的，而對于非晶合金來說，它們由于不存在磁晶各向異性、金屬夾雜物和晶界等，此外它不存在長程有序的原子排列，其電阻率比一般的晶態(tài)合金高2—3倍，加之快冷方法一次形成厚度15-30微米的非晶薄帶，特別適用于高頻功率輸出變壓器。已廣泛應(yīng)用于逆變弧焊電源、單端脈沖變壓器、高頻加熱電源、不停電電源、功率變壓器、通訊電源、開關(guān)電源變壓器和高能加速器等鐵芯，在頻率20—50kHz、功率50kW以下，是變壓器最佳磁芯材料。近年來發(fā)展起來的新型逆變弧焊電源單端脈沖變壓器，具有高頻大功率的特點，因此要求變壓器鐵芯材料具有低的高頻損耗、高的飽和磁感Bs和低的Br以獲得大的工作磁感B，使焊機體積和重量減小。常用的用于高頻弧焊電源的鐵芯材料為鐵氧體，雖然由于其電阻率高而具有低的高頻損耗，但其溫度穩(wěn)定性較差，工作磁感較低，變壓器體積和重量較大，已不能滿足新型弧焊機的要求。采用納米晶環(huán)形鐵芯后，由于其具有高的Bs值(Bs>1.2T)，高的4B值(△B>0.7T)，很高的脈沖磁導(dǎo)率和低的損耗，頻率可達100kHz.可使鐵芯的體積和重量大為減小。近年來逆變焊機已應(yīng)用納米晶鐵芯達幾萬只，用戶反映用納米晶變壓器鐵芯再配以非晶高頻電感制成的焊機，不僅體積小、重量輕、便于攜帶，而且電弧穩(wěn)定、飛濺小、動態(tài)特性好、效率高及可靠性高。這種環(huán)形納米晶鐵芯還可用于中高頻加熱電源、脈沖變壓器、不停電電源、功率變壓器、開關(guān)電源變壓器和高能加速器等裝置中?？筛鶕?jù)開關(guān)電源的頻率選用磁芯材料。環(huán)形納米晶鐵芯具有很多優(yōu)點，但它也有繞線困難的不利因素。為了在匝數(shù)較多時繞線方便，可選用高頻大功率C型非晶納米晶鐵芯。采用低應(yīng)力粘結(jié)劑固化及新的切割工藝制成的非晶納米晶合金C型鐵芯的性能明顯優(yōu)于硅鋼C型鐵芯。目前這種鐵芯已批量用于逆變焊機和切割機等。逆變焊機主變壓器鐵芯和電抗器鐵芯系列有：120A、160A、200A、250A、315A、400A、500A、630A系列。(二)、脈沖變壓器鐵芯脈沖變壓器是用來傳輸脈沖的變壓器。當一系列脈沖持續(xù)時間為td(〃s)、脈沖幅值電壓為Um(V)的單極性脈沖電壓加到匝數(shù)為N的脈沖變壓器繞組上時，在每一個脈沖結(jié)束時，鐵芯中的磁感應(yīng)強度增量AB(T)為：AB=Umtd/NScx10-2其中Sc為鐵芯的有效截面積(cm2)。即磁感應(yīng)強度增量AB與脈沖電壓的面積(伏秒乘積)成正比。對輸出單向脈沖時，AB=Bm-Br,如果在脈沖變壓器鐵芯上加去磁繞組時，AB=Bm+Br。在脈沖狀態(tài)下，由動態(tài)脈沖磁滯回線的AB與相應(yīng)的AHp之比為脈沖磁導(dǎo)率〃p。理想的脈沖波形是指矩形脈沖波，由于電路的參數(shù)影響，實際的脈沖波形與矩形脈沖有所差異，經(jīng)常會發(fā)生畸變。比如脈沖前沿的上升時間tr與脈沖變壓器的漏電感1$繞組和結(jié)構(gòu)零件導(dǎo)致的分布電容Cs成比例，脈沖頂降入與勵磁電感1山成反比，另外渦流損耗因素也會影響輸出的脈沖波形。脈沖變壓器的漏電感 Ls = 4￡nN21lm /h脈沖變壓器的初級勵磁電感 Lm = 4〃npScN2 /lx10-9渦流損耗 Pe = Umd2tdIF/ 12N21Sep￡為與繞組結(jié)構(gòu)型式有關(guān)的系數(shù)，山為繞組線圈的平均匝長，h為繞組線圈的寬度，N1為初級繞組匝數(shù)，1為鐵芯的平均磁路長度，Sc為鐵芯的截面積，〃p為鐵芯的脈沖磁導(dǎo)率，p為鐵芯材料的電阻率，d為鐵芯材料的厚度，F(xiàn)為脈沖重復(fù)頻率。從以上公式可以看出，在給定的匝數(shù)和鐵芯截面積時，脈沖寬度愈大，要求鐵芯材料的磁感應(yīng)強度的變化量4B也越大在脈沖寬度給定時，提高鐵芯材料的磁感應(yīng)強度變化量4B，可以大大減少脈沖變壓器鐵芯的截面積和磁化繞組的匝數(shù)，即可縮小脈沖變壓器的體積。要減小脈沖波形前沿的失真，應(yīng)盡量減小脈沖變壓器的漏電感和分布電容，為此需使脈沖變壓器的繞組匝數(shù)盡可能的少，這就要求使用具有較高脈沖磁導(dǎo)率的材料。為減小頂降，要盡可能的提高初級勵磁電感量Lm，這就要求鐵芯材料具有較高的脈沖磁導(dǎo)率〃p。為減小渦流損耗，應(yīng)選用電阻率高、厚度盡量薄的軟磁帶材作為鐵芯材料，尤其是對重復(fù)頻率高、脈沖寬度大的脈沖變壓器更是如此。脈沖變壓器對鐵芯材料的要求為：①高飽和磁感應(yīng)強度Bs值；高的脈沖磁導(dǎo)率，能用較小的鐵芯尺寸獲得足夠大的勵磁電感；大功率單極性脈沖變壓器要求鐵芯具有大的磁感應(yīng)強度增量4B,使用低剩磁感應(yīng)材料；當采用附加直流偏磁時，要求鐵芯具有高矩形比，小矯頑力Hc。小功率脈沖變壓器要求鐵芯的起始脈沖磁導(dǎo)率高；⑤損耗小。材，*(17,JeilsiA3(T)適用頻率適用功率I'll號◎網(wǎng)〕20003.8400的大1J51 |1k619000 |135kHz大中1優(yōu)41L口口口、2?？凇?.2"300kHz小非晶11.5%5LOkHs大中站米晶11k2l1.0*2.0ZO^MkHz中鐵氧體磁芯的電阻率高、頻率范圍寬、成本低，在小功率脈沖變壓器中應(yīng)用較多，但其4B和〃p均較低，溫度穩(wěn)定性差，一般用于對頂降和后沿要求不高的場合。（三）.電感器磁芯鐵芯電感器是一種基本元件，在電路中電感器對于電流的變化具有阻抗的作用，在電子設(shè)備中應(yīng)用極為廣泛。對電感器的主要要求有以下幾點：在一定溫度下長期工作時，電感器的電感量隨時間的變化率應(yīng)保持最??；在給定工作溫度變化范圍內(nèi)，電感量的溫度系數(shù)應(yīng)保持在容許限度之內(nèi)；電感器的電損耗和磁損耗低；④非線性歧變??；⑤價格低，體積小。電感元件與電感量1、品質(zhì)因素Q、鐵芯重量W、繞線的直流電阻R有著密切的關(guān)系。電感1抗拒交流電流的能力用感抗值ZL來表示：ZL=2nfL,頻率f越高，感抗值ZL越大。電感L與鐵芯的關(guān)系為：L=4N2〃SK/D義10-9,K為鐵芯的填充系數(shù)，S為鐵芯的截面積，D為鐵芯的平均直徑，〃為鐵芯的磁導(dǎo)率，N為繞組匝數(shù)。電感中的磁能密度為：dw=〃Hm2/8n電感鐵芯的品質(zhì)因素為：Q=3L/R=8nN2f〃S/RDx10-9在鐵芯體積一定的情況下，要獲得儲能大的鐵芯，應(yīng)選恒導(dǎo)磁范圍大的材料，即Hm大的材料；要獲得高品質(zhì)因素的鐵芯，應(yīng)選導(dǎo)磁率〃大的材料；要縮小鐵芯體積和重量，應(yīng)選Hm大、〃大的材料。電感器最常用的有電源濾波扼流圈和交流扼流圈（包括電感線圈）。電源濾波扼流圈用于平滑整流后的直流成分，減小其波紋電壓，以得到平穩(wěn)的直流電。濾波器一般都是在交直流疊加的狀態(tài)下工作。利用電感元件對交流電的抵抗作用使交流電壓大部分降落在電感上。要求電感器在很大的直流磁場范圍內(nèi)具有較大的恒電感量，以及較小的直流電壓降。交流扼流圈用于交流回路中，作為平衡、鎮(zhèn)流、限流和濾波等感性元件來使用。交流扼流圈工作于交流狀態(tài)，無直流磁化，鐵芯中磁感應(yīng)強度的確定取決于負載電流。電感線圈多數(shù)用于高頻電路中，如濾波器用電感線圈、振蕩回路電感線圈、陷波器線圈、高頻扼流圈、匹配線圈、噪音濾波線圈等。多數(shù)工作于交流狀態(tài)，鐵芯以鐵氧體磁芯使用最多。適用于電感鐵芯的材料有多種：鐵氧體、鐵粉芯、坡莫合金粉芯、FeSiAl粉芯、硅鋼、非晶合金等。非晶扼流圈是用非晶帶材制成的現(xiàn)代化的器件。用鐵基非晶制成的鐵芯與鐵粉芯、MPP或硅鋼片鐵芯相比，可以具有較小的器件尺寸和低的溫升。鐵基非晶合金制成的輸出扼流圈鐵芯的直流偏磁特性與Mn-Zn鐵氧體鐵芯特性的比較示于圖。設(shè)定電感值為同一值，而且橫坐標以鐵氧體為基準，電感值減少一半時的偏磁電流規(guī)定為1。非晶扼流圈鐵芯直至很高的電流值仍顯示出恒定的電感值，清楚的表示出飽和磁通密度之差。同樣也可反映出鐵芯的尺寸。對于相同電氣規(guī)格的扼流圈來說，可以做到非晶合金的體積為鐵氧體的一半。

扼流圈用鐵芯須具有高飽和磁通密度，而且如果考慮到實際環(huán)境，高溫時仍必須保持高飽和磁通密度。非晶扼流圈鐵芯的飽和磁通密度的溫度特性與鐵氧體鐵芯的比較示于圖所示。可以看出，非晶扼流圈鐵芯因其居里溫度高，直到150℃的溫度范圍內(nèi)，飽和磁通密度的減小級小，溫度特性良好。小晶，錢輒體加沛國的閂流相描特性及審―艇逋一-的溫—性硅鋼片（厚0.05mm）也用于作為輸出扼流圈的高飽和磁通密度材料。表示出了用非晶扼流圈組裝的開關(guān)頻率為20kHz>100kHz、250kHz的開關(guān)電源，在加上10A的直流輸出負載的條件下的電源效率和鐵芯的溫升，并與硅鋼片扼流圈作了比較。非晶扼流圈與硅鋼片扼流圈相比，電源效率提高1.5-6.5%；鐵芯的溫升降低20—30℃。在高頻條件下，這一差異尤其明顯。由此可見，非晶扼流圈可以解決鐵氧體和硅鋼的技術(shù)難點，適用于開關(guān)電源的高頻化要求的輸出扼流圈的位置

材箏北品扼流圖hl的13企圈2;1效率閭竟制，「卜「1)21效率%)8：/；'kHz溫升CC)出250kb效率：勒溫升「279 2。沔 no舊晶含全作為輸相述法扼流圈Fj輔坡寬含金粉芯加T的出歧見圖所東口花陶頗大」力率下.非田介金輸門扼流圈的功率損比科體枳都小褥北不同忖料的忖流圈功率損耗比較5]kHl33CkHzlaokHiio(不同忖料的忖流圈功率損耗比較5]kHl33CkHzlaokHiio(kHz不同材料也惱粉的體積比較綜上所述，非晶合金作為輸出扼流圈鐵芯具有如下特點：A.減小器件尺寸：鐵基非晶合金的飽和磁感為1.5T左右，對于在給定電流下所要求的電感，能大幅度減小尺寸。B.容許采用高密度的線路：非晶扼流圈鐵芯的單一氣隙結(jié)構(gòu)將限制漏磁通，可以供較好密度的電路板使用。C.降低溫升：非晶扼流圈鐵芯所產(chǎn)生的熱低于類似工作條件下的粉芯所產(chǎn)生的熱。D.優(yōu)異的直流偏壓特性：非晶扼流圈鐵芯的飽和直流偏壓水平比鐵粉芯或鐵氧體鐵芯高。(四).共模噪聲用非晶扼流圈共模電感要求對磁芯材料具有高初始磁導(dǎo)率〃0、低損耗的特點，常用共模電感磁芯材料有鐵氧體、坡莫合金、納米晶合金°材質(zhì)加⑴nit適用頻率價格鐵氧體0.I飛。。kl-z低坡共七猿0.7S0000"1。kHz高納米品1.2SUIKK)"50kHz高納米晶合金共模電感的特點：A.用較少匝數(shù)可產(chǎn)生高的電感B.低的分流（端間）電容C.高的自共振頻率（高于此頻率，器件變成電容性的）D.較小的尺寸E.低的溫升F.高飽和磁感，可以處理高振幅噪聲尖峰信號。G.高的工作溫度（150℃）。（五）、磁放大器鐵芯磁放大器的工作特點：鐵芯上繞有交流繞組和直流繞組，同時受到交直流磁化，直流磁場起控制作用。利用鐵芯的未飽和和飽和磁導(dǎo)率間的巨大差異來延遲電流得到一段預(yù)置時間。對磁放大器鐵芯的性能要求具有矩形比高，Hc小，損耗小的特點.一般來說，選擇高矩形比坡莫合金鐵芯時，其損耗大，只能在低于50kHz時使用；使用非晶可飽和鐵芯可擴大到200kHz-300kHz非晶可飽和鐵芯具有鐵芯損耗小、高頻開關(guān)電源效率更高的特點。非晶可飽和鐵芯可應(yīng)用于自激變換器型電源，交叉調(diào)節(jié)式多輸出電源，高頻鐵磁共振型電源等。非晶鐵芯高溫老化實驗表明鐵芯溫度保持在高溫的開關(guān)電源的磁放大器中工作時,在經(jīng)歷了2x104小時后幾乎看不到電源參數(shù)的變化。一般來說，在鐵芯溫度為120℃條件下可以正常工作105小時以上，實用上具有很高的可靠性。（六）、尖峰抑制器開關(guān)電源最大的缺點就是容易產(chǎn)生躁聲和干擾，這是開關(guān)電源的一個重要技術(shù)問題。開關(guān)電源的噪聲主要是由開關(guān)功率管和開關(guān)整流二級管快速變化的高壓切換和脈沖短路電流所引起。采用有效元件把它們限制到最小程度是抑制噪聲的主要方法之一。可采用非線性飽和電感來抑制反向恢復(fù)電流尖峰。此時鐵芯的工作狀態(tài)是從一Bs到+Bs。如圖所示，通過在續(xù)流二極管VD2回路中串聯(lián)非線性飽和電感12，L2能有效地抑制VD2的電流下降速度，在電流反轉(zhuǎn)之前消除二極管的存儲電荷，從而減小反向恢復(fù)電流。L2采用非線性飽和電感，能使電流下降時間顯著減小。當二極管電流接近零時L2才起作用，其下降速度被限制使反向恢復(fù)電流幾乎減小到零。L2的大小應(yīng)根據(jù)二極管的反向恢復(fù)時間來選取。這種聯(lián)接在開關(guān)電源續(xù)流二極管上的高磁導(dǎo)率與可飽和性的超小型電感元件，用來抑制開關(guān)電源開關(guān)時產(chǎn)生的峰值電流，被稱為尖峰抑制器，其典型尺寸為R5x4x3、R10x6x5等。尖峰抑制器的性能特點：A．初始和最大電感值很高，飽和后殘余電感值非線性級不明顯。串聯(lián)接入回路后，當電流升高的一瞬間顯示出高阻抗。作為所謂的瞬間阻抗元件使用。B．適合于防止半導(dǎo)體回路中瞬態(tài)電流峰值信號、沖擊激勵電路和由此而伴生的噪聲、以及防止半導(dǎo)體損壞。剩余電感極小，電路穩(wěn)定時損耗很小。與鐵氧體制品的性能絕然不同。只要避免磁飽和，可作為超小型、高電感的電感元件使用?？勺鳛榈蛽p耗的高性能可飽和鐵芯用于控制和振蕩。尖峰抑制器要求鐵芯材料具有較高的磁導(dǎo)率，以得到較大的電感量；高矩形比可使鐵芯

飽和時，電感量應(yīng)迅速下降到零；矯頑力小、高頻損耗低，否則鐵芯放熱不能正常工作。【丸業(yè)曲P鐵芯roBt/Bs101』01Cnw/',[i?l「聲降低適用頻率性格鐵氧體0.10」11aODkHfi,50uiT-n0SOOkHa低鉆基二小惜0.7(1.9531ODlOOkHt,20ttuT=33(J90名300kHs高納米晶1.20.力24w劉聞工20JijT25(17瞧WOklk中祐基非晶合金的新頑力很小，顯示出急劇感化的