開關(guān)電源中高頻磁元件設(shè)計(jì)

開關(guān)電源中高頻磁元件設(shè)計(jì)第一頁，共37頁。參考文獻(xiàn)[1]張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)，電子工業(yè)出版社第5章

磁性元件的特性與計(jì)算[2]趙修科.開關(guān)電源中磁性元器件2第二頁，共37頁。磁元件在開關(guān)電源中的作用當(dāng)變壓器使用電氣隔離、能量傳遞、根據(jù)變比不同，實(shí)現(xiàn)升、降壓電壓、電流互感器多脈波整流當(dāng)電感使用儲(chǔ)能、濾波抑制電流尖峰，保護(hù)易受電流損壞的電子元器件實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)4.1磁性材料的概述3第三頁，共37頁。4.1磁性材料的概述

磁元件設(shè)計(jì)的重要意義無標(biāo)準(zhǔn)商品化元件；優(yōu)化函數(shù)多重;磁學(xué)基礎(chǔ)差;實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)。磁性材料的磁化物質(zhì)的磁化需要外磁場；被磁化的物質(zhì)稱為磁介質(zhì)；將磁性材料放到磁場中，磁感應(yīng)強(qiáng)度顯著增大，磁場使得磁性材料呈現(xiàn)磁性的現(xiàn)象稱為磁性材料的磁化。4第四頁，共37頁。4.1磁性材料的概述磁性材料的磁化鐵磁材料之所以具有高導(dǎo)磁性，是因?yàn)樵谒鼈兊膬?nèi)部具有一種特殊的物質(zhì)結(jié)構(gòu)—磁疇。鐵磁材料內(nèi)部的磁疇排列雜亂無章，磁性相互抵消，因此對(duì)外不顯示磁性。（a）無外磁場情況磁疇因受外磁場作用而順著外磁場的方向發(fā)生歸順性重新排列，在內(nèi)部形成一個(gè)很強(qiáng)的附加磁場。（b）有外磁場情況鐵磁材料內(nèi)部往往有相鄰的幾百個(gè)分子電流圈流向一致，因此在這些極小的區(qū)域內(nèi)就形成了一個(gè)個(gè)天然的磁性區(qū)域—磁疇。磁疇是怎么形成的？5第五頁，共37頁。4.1磁性材料的概述磁性材料的磁化磁場是電流產(chǎn)生的，而電流總是被磁場所包圍磁場方向電流方向磁場方向電流方向右手定則6第六頁，共37頁。4.1磁性材料的概述磁性材料的磁化過程oa段是線性段，可逆ab段是上升段，不可逆bc段是磁化曲線的膝部C點(diǎn)以后是飽和段J——磁化強(qiáng)度；m0——真空磁導(dǎo)率；H——磁場強(qiáng)度。曲線A

——m0HB——JC——A+B，初始磁化曲線ab段反映了鐵磁材料的高導(dǎo)磁性，磁導(dǎo)率可達(dá)102~104，由軟磁材料組成的磁路磁阻很小，在線圈中通入較小的電流即可獲得較大的磁通。c點(diǎn)以后說明鐵磁材料具有磁飽和性。B不會(huì)隨H的增強(qiáng)而無限增強(qiáng)，H增大到一定值時(shí)，B不能繼續(xù)增強(qiáng)。7第七頁，共37頁。4.1磁性材料的概述飽和磁滯回線BS——飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Br——剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度HC——矯頑力

將磁性材料沿磁化曲線OS由完全去磁狀態(tài)磁化到飽和Bs，如再將外磁場H減小，B值將不再按照原來的初始磁化曲線（OS）減小，而是更加緩慢地沿較高的B減小。即使外磁場H=0時(shí)，B≠0。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。磁滯現(xiàn)象磁化的不可逆性

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。8第八頁，共37頁。4.1磁性材料的概述

磁性材料的基本特性磁感應(yīng)強(qiáng)度B

（磁通密度）表征磁場中某一點(diǎn)的磁性強(qiáng)弱和方向的矢量方向：左手定則單位：特斯拉（T）、高斯（GS），1GS=10-4T9第九頁，共37頁。4.1磁性材料的概述

磁通f穿過垂直于B方向的面積S中的磁力線總和。nBαdSS或單位：韋伯（1Wb=1VS（伏秒））

麥克斯韋（Mx）

1Wb=108Mx10第十頁，共37頁。4.1磁性材料的概述

磁場強(qiáng)度H在任何磁介質(zhì)中，磁場中某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與同一點(diǎn)的磁導(dǎo)率μ的比值稱為該點(diǎn)的磁場強(qiáng)度H。單位：安培/米（A/m）、奧斯特（Oe）1Oe=103/4π（A/m）11第十一頁，共37頁。4.1磁性材料的概述

磁導(dǎo)率m表征磁場中磁性能的物理量，可用來衡量磁介質(zhì)導(dǎo)磁能力。磁導(dǎo)率μ在磁介質(zhì)中不是常數(shù)。（1）真空磁導(dǎo)率m0（2）初始磁導(dǎo)率mi是磁性材料的初始磁化曲線始端磁導(dǎo)率的極限值，即12第十二頁，共37頁。4.1磁性材料的概述（3）有效磁導(dǎo)率mr

在閉合磁路中，或多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。L——線圈的自感量（mH）N——線圈匝數(shù)Ae——磁芯截面積（mm2）l——磁路長度(mm)（4）最大磁導(dǎo)率mm磁導(dǎo)率中的最大值（5）動(dòng)態(tài)磁導(dǎo)率mm

在磁化曲線上各點(diǎn)切線的斜率，表示該點(diǎn)附近磁感應(yīng)強(qiáng)度隨磁場強(qiáng)度變化的情況。13第十三頁，共37頁。4.1磁性材料的概述飽和磁感應(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。剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br磁芯從磁飽和狀態(tài)去除磁場后，剩余的磁感應(yīng)強(qiáng)度或殘留磁通密度。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。14第十四頁，共37頁。4.1磁性材料的概述溫度系數(shù)am溫度系數(shù)為溫度在T1~T2范圍內(nèi)變化時(shí)，溫度每變化1℃，磁導(dǎo)率的相對(duì)變化量。m1

——溫度為T1時(shí)的磁導(dǎo)率m2

——溫度為T2時(shí)的磁導(dǎo)率居里溫度TC鐵磁物質(zhì)的磁化強(qiáng)度隨溫度過度升高將會(huì)下降，當(dāng)達(dá)到某一臨界溫度時(shí)，自發(fā)磁化（即磁疇）便消失，這一臨界溫度稱居里溫度。在m-T曲線上，80％的mmax與20％mmax連線與m=1的交差點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的溫度，即為居里溫度。15第十五頁，共37頁。4.1磁性材料的概述磁芯損耗（鐵損）PC磁芯在工作磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)的單位體積損耗，主要包括磁滯損耗(PH)、渦流損耗(PW)和殘留損耗。工作磁感應(yīng)強(qiáng)度BWBW

——工作磁感應(yīng)強(qiáng)度（mT）US——線圈兩端的電壓（V）f——頻率（kHz）Ae——有效截面積（mm2）殘留損耗是由磁化延遲及磁矩共振等造成，一般可不考慮。16第十六頁，共37頁。4.1磁性材料的概述磁滯損耗每次磁化所消耗的能量。f——頻率（kHz）Bm

——最大磁通密度Kh——比例系數(shù)，因材質(zhì)而異注：磁滯損耗是不可恢復(fù)能量，轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉。每磁化一個(gè)周期，就要損耗與磁滯回線包圍面積成正比的能量，頻率越高，損耗功率越大。在工作頻率一定時(shí)，降低矯頑力可有效降低磁滯損耗。磁感應(yīng)強(qiáng)度擺幅越大，包圍面積越大，損耗也越大。工程計(jì)算可用下式：17第十七頁，共37頁。4.1磁性材料的概述

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。d——密度，單位體積材料的質(zhì)量r

——磁芯的電阻率注：渦流損耗取決于材料的截面尺寸和電阻率。在工作頻率一定時(shí)，減小磁性材料厚度及提高其電阻率可減小渦流損耗。

為減少渦流損耗，可將低電阻率的磁合金材料碾軋成薄帶，用相互絕緣的n片薄帶疊成相同截面積磁芯代替整塊磁芯。18第十八頁，共37頁。4.1磁性材料的概述電感系數(shù)AL電感系數(shù)是磁芯上每一匝線圈產(chǎn)生的自感量。L——磁芯線圈的自感量（H）N

——線圈匝數(shù)19第十九頁，共37頁。4.2磁性材料

磁芯磁性能按磁滯回線寬窄，把磁性材料分為軟磁性材料和硬磁性材料兩大類。開關(guān)電源主要應(yīng)用軟磁材料。軟磁材料特點(diǎn)：較高的磁導(dǎo)率——在線圈匝數(shù)和外加電壓一定時(shí)，很小的激磁電流就能有較高的磁感應(yīng)強(qiáng)度，因此在輸出一定功率要求下，可減小變壓器體積磁芯矯頑力低——磁滯回環(huán)面積小，磁芯磁滯損耗小高的電阻率——磁芯渦流損耗小20第二十頁，共37頁。4.2磁性材料

常用的磁性材料鐵氧體組成一般是氧化鐵和其它金屬成分組成材質(zhì)特點(diǎn)深灰色或黑色陶瓷材料，質(zhì)地既硬又脆，化學(xué)穩(wěn)定性好優(yōu)點(diǎn)電阻率高磁導(dǎo)率隨頻率的變化特別穩(wěn)定形狀、種類豐富，應(yīng)用方便可廣泛用于變壓器電感等磁性器件的設(shè)計(jì)缺點(diǎn)飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度小溫度穩(wěn)定性差力學(xué)性能差、脆21第二十一頁，共37頁。4.2磁性材料

磁粉芯組成是一種由幾類材料復(fù)合而成的復(fù)合型鐵芯優(yōu)點(diǎn)由于是將磁性材料與非導(dǎo)磁材料粉末復(fù)合而成，相當(dāng)于在鐵芯中加了氣隙，具有在較高磁場強(qiáng)度下不飽和的特點(diǎn)。缺點(diǎn)但其相對(duì)磁導(dǎo)率較低，通常在20～300之間，主要用于制作濾波電感，其結(jié)構(gòu)以環(huán)形為主。22第二十二頁，共37頁。4.2磁性材料非晶態(tài)合金非晶合金是近20年剛剛發(fā)展起來的一種新型磁性材料組成由兩類元素組成：一類是鐵磁性元素（鐵、鈷、鎳或者他們的組合），它們用來產(chǎn)生磁性；另一類是硅、硼、碳等，它們稱為類金屬，也叫做玻璃化元素，有了它們，合金的熔點(diǎn)比純金屬降低了很多，才容易形成非晶。分類鐵基非晶合金；鐵鎳基非晶合金；鈷基非晶合金；鐵基納米晶合金（超微晶合金）；特點(diǎn)電阻率可達(dá)120~150μΩ，為冷軋硅鋼片的3倍，但遠(yuǎn)不如鐵氧體；電阻溫度系數(shù)小，可以為零或負(fù)值；居里溫度高，可達(dá)350~700°C；飽和磁密度高，可達(dá)1.2~1.6T，比鐵氧體高得多；形狀規(guī)格由于比較脆，所以一般都制成環(huán)形或比較簡單的閉合式C型（近似矩形）鐵芯。一般都不開氣隙，因?yàn)樾阅軙?huì)變壞，導(dǎo)致?lián)p耗增加。23第二十三頁，共37頁。4.2磁性材料

磁芯的分類按使用時(shí)磁化過程所產(chǎn)生磁力線的路徑，磁芯可分為開路磁芯和閉路磁芯兩類。開路磁芯這類磁芯的磁路是開啟的，通過磁芯的磁通同時(shí)要通過周圍空間（氣隙）才能形成閉合磁路。磁阻很大，磁路各個(gè)截面上的磁通不相等磁芯有效磁導(dǎo)率比初始磁導(dǎo)率有所降低IEC1332稱開路磁芯為OP類磁芯。24第二十四頁，共37頁。4.2磁性材料

閉路磁芯這類磁芯的磁路是閉合的或基本閉合的，IEC1332稱閉路磁芯為CL類磁芯。罐形磁芯在外，線圈在內(nèi)，減少EMI；內(nèi)部線圈散熱不良，溫升高E形配對(duì)使用，用于各種變壓器或和扼流圈C形免去環(huán)形繞線困難缺點(diǎn)，可用機(jī)械繞線環(huán)形主要用于脈沖變壓器和寬帶變壓器25第二十五頁，共37頁。4.2磁性材料罐形PQ形EE形EI形U形EC形磁芯的使用一定要在居里溫度以內(nèi)；綜合考慮磁導(dǎo)率、脆度、硬度、溫度穩(wěn)定性等因素；最后考慮工作頻率和噪聲；鐵氧體在磁場作用下，會(huì)使材料有收縮或膨脹現(xiàn)象，稱為磁致伸縮現(xiàn)象。26第二十六頁，共37頁。4.2磁性材料如果把罐形磁芯外圓切掉一部分，或與其他形狀的磁芯綜合，則變成通風(fēng)良好，解決罐形磁芯溫升過高的問題。EP形27第二十七頁，共37頁。4.3高頻變壓器設(shè)計(jì)方法

變壓器的基本原理變壓器的結(jié)構(gòu)單相變壓器+–+–一次繞組N1二次繞組N2鐵心變壓器的磁路繞組一次繞組二次繞組由高導(dǎo)磁硅鋼片疊成厚0.35mm或0.5mm鐵心變壓器的電路28第二十八頁，共37頁。4.3高頻變壓器設(shè)計(jì)方法

變壓器的工作原理單相變壓器+–+–一次繞組N1二次繞組N2鐵心

一次、二次繞組互不相連，能量的傳遞靠磁耦合。29第二十九頁，共37頁。4.3高頻變壓器設(shè)計(jì)方法

空載運(yùn)行一次側(cè)接交流電源，二次側(cè)開路。+–+–+–+–+–1i0(i0N1)1空載時(shí)，鐵心中主磁通是由一次繞組磁通勢產(chǎn)生的。30第三十頁，共37頁。4.3高頻變壓器設(shè)計(jì)方法

帶負(fù)載運(yùn)行情況一次側(cè)接交流電源，二次側(cè)接負(fù)載。+–+–+–11i1(i1N1)i1i2(i2N2)

2有載時(shí)，鐵心中主磁通是由一次、二次繞組磁通勢共同產(chǎn)生的合成磁通。2i2+–e2+–e2+–u2Z31第三十一頁，共37頁。4.3高頻變壓器設(shè)計(jì)方法

變壓器設(shè)計(jì)一般問題變壓器功能通過改變初級(jí)與次級(jí)匝比，獲得所需的輸出電壓增加多個(gè)不同匝數(shù)的次級(jí)，獲得不同的多路輸出電壓變壓器能方便地實(shí)現(xiàn)輸入和輸出之間的電氣隔離32第三十二頁，共37頁。4.3高頻變壓器設(shè)計(jì)方法變壓器的寄生參數(shù)及其影響理想變壓器：不儲(chǔ)存任何能量，所有的能量瞬時(shí)由輸入傳輸?shù)捷敵?。?shí)際變壓器：儲(chǔ)存一些不希望的能量。能量類型形成原因存在形式能量大小漏感能量線圈間不耦合磁通經(jīng)過的空間存儲(chǔ)的能量等效電路中與理想變壓器線圈串聯(lián)與負(fù)載電流和激勵(lì)線圈電流的平方成正比激磁能量有限磁導(dǎo)率的磁芯中和兩半磁芯結(jié)合處氣隙存儲(chǔ)的能量等效電路與理想變壓器初級(jí)線圈并聯(lián)與加到線圈上每匝伏特有關(guān)，與負(fù)載電流無關(guān)