第四講：磁性元件的設(shè)計(jì)PPT

1、1 .磁性元件是儲(chǔ)存、能量轉(zhuǎn)換和電隔離所必需的電力電子部件，磁性元件主要包括變壓器和電感兩種磁性元件由鐵心和繞組組成。 一、概要、第四次磁性元件的設(shè)計(jì)、2、體積和重量分別為總體積的20%-30%、總重量的30%-40%； 參數(shù)選擇是影響輸入輸出的波動(dòng)和選擇系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性的寄生參數(shù)，影響器件的電流應(yīng)力和電壓應(yīng)力，損失影響單元整體的轉(zhuǎn)換效率。 磁元件必須綜合考慮系統(tǒng)的成本、體積、重量和性能指標(biāo)的要求，在市場(chǎng)上買不到的，必須特別設(shè)計(jì)。 重復(fù)3、2、磁性材料的基本知識(shí)、1、滯后回路、磁化，鐵心中任意點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度b與磁場(chǎng)強(qiáng)度h的關(guān)系曲線B=f(H )。 基本磁化曲線，4，真空的絕對(duì)磁導(dǎo)率：2，磁導(dǎo)率，

2、相同的磁場(chǎng)強(qiáng)度h，在不同的介質(zhì)上產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度b不同，即不同的介質(zhì)磁導(dǎo)率不同。 磁場(chǎng)介質(zhì)、非強(qiáng)磁性材料(空氣、油等)=0、強(qiáng)磁性材料(鐵、鎳等)0、絕對(duì)導(dǎo)磁率、5、相對(duì)導(dǎo)磁率、氣隙或具有不均勻截面的鐵心、各段磁路的值不同。 常用的環(huán)狀均勻鐵心等價(jià)，其磁導(dǎo)率為等效磁導(dǎo)率e。 初磁導(dǎo)率i和最大磁導(dǎo)率m都是相對(duì)磁導(dǎo)率。 等效磁導(dǎo)率，6，3，居里溫度，4，電感系數(shù)，電感系數(shù)：在鐵心上纏繞一圈線圈產(chǎn)生的自感。 加上電感、強(qiáng)磁性材料、順磁性體=0 (溫度高于居里溫度)、強(qiáng)磁性體0 (溫度低于居里溫度)、7、5、氣隙后的滯后環(huán)的變化，有氣隙，加上氣隙后，等效導(dǎo)磁率降低沒有氣隙，8，磁路中任意點(diǎn)的磁密度相等

3、。 磁通密度達(dá)到該鐵心材料的Bs時(shí)，鐵心無論有無氣隙都飽和。 因此，與氣隙的大小無關(guān)，鐵心的磁飽和時(shí)的磁密度不會(huì)變化。 9、6、鐵芯儲(chǔ)藏、線性磁路的話，可以視為線性電感。 10、7、鐵心損耗、滯后損耗、11、交變磁場(chǎng)在鐵心上引起渦流損耗Qe，產(chǎn)生渦流損耗Qe，與交變頻率、鋼帶的厚度和電阻率有關(guān)。 滯后損耗Qh與鐵芯的滯后回路的面積成比例。，b，鐵損，滯后損失，渦流損失，磁性元件損失，渦流損失，12，3，鐵心的動(dòng)作狀態(tài)，1，分類，勵(lì)磁方式，雙向磁化，第I類，單向磁化，第ii類，第iii類，變壓器，交流平滑電感， 單端變換器的變壓器，直流平滑電感，13，2，第I類的動(dòng)作狀態(tài)，鐵心線圈的施加純交流勵(lì)

4、磁電壓u，勵(lì)磁電流雙向流過。14、s是電壓u在(0-T/2 )區(qū)間的積分，即u波形和橫軸(0-T/2 )包圍的區(qū)域的面積，是其單位(伏秒)。 如果取得了t:(0-T/2 )、t:(T/2-T )，同樣地：15、伏特秒的平衡，鐵心一定會(huì)磁恢復(fù)。鐵芯的磁化進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，伏特秒一定保持平衡。 磁通變化量是2倍的最大磁通。 16、3、第ii類工作狀態(tài)，鐵心的勵(lì)磁電流向一個(gè)方向流過。 選擇Bs高的核心，核心打開氣隙降低Br。 鐵心利用率低，17、4、第iii類工作狀態(tài)、勵(lì)磁電流單向流動(dòng)。 勵(lì)磁電流的交流成分小，鐵損小，主要是銅損。 為了使勵(lì)磁電流的直流成分大，鐵心不飽和，有必要追加氣隙。18，4，常用

5、鐵心材料，1，冷沖壓鋼帶，Bs大，約0.61.9T，工作頻率在1kHz以下，適用于電力變壓器和交流電感。 50Hz-0.35mm，400Hz-0.2mm，1kHz-0.1mm，損失與硅含量、厚度、工作頻率有關(guān)。 工作頻率高時(shí)，選擇高的硅薄帶。 19、2、軟磁性鐵氧體、陶瓷磁性材料呈暗灰色或黑色，質(zhì)非常硬，易碎。 分為錳鋅鐵氧體或鎳鋅鐵氧體。 電阻率為硅鋼板的百萬倍，渦流損耗極小，工作頻率可達(dá)到數(shù)kHz數(shù)千kHz，適用于小功率、高頻電力變壓器、諧振電感和直流平滑電感。 Bs低，一般不超過0.5T，隨著溫度上升顯著下降。 居里溫度低，一般低于350。主要制造商有康達(dá)、金寧、飛利浦、PS等。 20、

6、環(huán)狀，無氣隙，散磁少但容易飽和的結(jié)構(gòu)簡單，不需要骨架，適合自己纏繞的窗戶寬，散熱條件好！ 矩形截面，不適合粗導(dǎo)線的繞組！ 線圈均勻地纏繞在鐵心上，最適合電感！ 鐵氧體磁心廣泛應(yīng)用于通信電源和開關(guān)電源，其結(jié)構(gòu)形式多種多樣，需要根據(jù)應(yīng)用情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇。 罐形、圓柱形截面、繞組匝長比矩形截面短的罐體磁屏蔽好，線圈間的耦合好，漏磁極小，窗的寬度小，難以散熱，適合小功率的斷線小，難以引出線！21、EE型、EI型、截面積大，窗口大，可以減少匝數(shù)和層數(shù)，漏磁通小形狀簡單，規(guī)格整齊，設(shè)計(jì)容易，窗口面積大，線和散熱容易，是適合大功率情況的矩形截面，容易并聯(lián)地?cái)U(kuò)大功率，但適合粗導(dǎo)線的線圈ETD形，形狀簡單，設(shè)

7、計(jì)容易的圓形截面，導(dǎo)線長度減少，銅消耗減少，適用于粗導(dǎo)線繞組的線圈耦合好，漏磁通小。22、3、磁粉芯，內(nèi)部有很多非強(qiáng)磁性材料，相當(dāng)于空隙打開，相對(duì)磁導(dǎo)率低，約10500。 不需要另外的氣隙，不易飽和，能積蓄大量的能量，適用于儲(chǔ)能電感和回掃變壓器的鐵心。 由于等效氣隙寬度不變，等效磁導(dǎo)率為非線性，B-H曲線沒有線性區(qū)域，緩慢進(jìn)入飽和。 將極細(xì)的磁性材料粉末和非強(qiáng)磁性材料混合，成型、固化成環(huán)形磁芯。 23、鐵粉芯是鐵粉和有機(jī)材料結(jié)合的，磁導(dǎo)率在1075之間，成本低，材料柔軟，鐵心損耗相當(dāng)大。 鐵硅鋁、6%鋁、9%硅、85%鐵構(gòu)成的相對(duì)磁導(dǎo)率為26、60、75、90、125，低成本材料硬，鐵心損耗小

8、。 應(yīng)用廣泛！ 誰也不用！ 24、鐵鎳磁粉芯，50%鐵粉與50%鎳粉結(jié)合的相對(duì)磁導(dǎo)率在14200之間，成本高，磁通密度最高，達(dá)到1.5T的鐵芯損失在鐵硅鋁和鐵粉芯之間。 MPP粉末芯由鉬2%、鎳81%、鐵17%構(gòu)成，相對(duì)磁導(dǎo)率為14550，價(jià)格高，溫度穩(wěn)定性高，最佳鐵芯損耗最小磁通密度最低。 軍品！ 軍品！25、4、鐵鎳軟磁性合金(坡莫合金)的相對(duì)磁導(dǎo)率極高，一般為20000以上，是極低的矯頑力、滯后回路狹窄、滯后損失小的矩形比Br/Bm高，適用于變壓器的溫度穩(wěn)定，但價(jià)格高渦流損失大，為了減小適用于數(shù)kHz情況的渦流損失，一般向皮帶碾壓。 超坂mo合金IJ851能在100kHz下工作，鐵損比鐵

9、氧體小。 26、5、非晶合金和微晶合金，采用冷卻速度約為106/s的超急冷凝技術(shù)，從鋼水到薄帶制品一次性成形。 合金凝固后，原子不能規(guī)則排列結(jié)晶化，因此不存在晶粒，也稱為非晶合金，也稱為金屬玻璃。 太高，廉價(jià)，27，6，寬的定磁導(dǎo)率合金，在寬磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi)具有一定磁導(dǎo)率的Bs沒有高氣隙，設(shè)計(jì)簡單，EMI小電阻率高，渦流損耗小，適合高頻工作。 適用于高頻電感和反激逆變器芯. 太棒了！ 28、總結(jié)硅鋼板：大功率(5kW )、低頻(50Hz-400Hz )、鐵氧體：小功率(1kW )、高頻(數(shù)十kHz-數(shù)百kHz )、磁粉芯：非線性電感、小功率(1kW )、中頻(數(shù)kHz-數(shù)十kHz )、廣導(dǎo)：電感

10、鐵基非晶：與硅鋼板類似鈷基非晶：小功率(250W )、高頻(數(shù)十kHz數(shù)百kHz )、鐵鎳基非晶：小功率(1kW )、高頻(數(shù)十kHz )、29、5、變壓器和電感的設(shè)計(jì)，1、表皮效應(yīng)、導(dǎo)線中流過交變電流導(dǎo)線的有效截面積減少，電阻增大。 關(guān)于交變頻率，頻率越大效果就越顯著。為了表現(xiàn)有效截面積的減少程度，經(jīng)常使用貫通深度。 繞組導(dǎo)線的線徑小于兩倍的貫通深度。 30、2、泄漏磁通僅通過一次線圈，不通過二次線圈的磁通稱為一次側(cè)泄漏磁通，僅通過二次線圈，不通過一次線圈的磁通稱為二次側(cè)泄漏磁通。 用漏感表現(xiàn)漏磁通的話，會(huì)引起大的電壓峰值。 選擇合適的鐵心結(jié)構(gòu)：罐形、環(huán)形或EC/ETD形。 采用適當(dāng)?shù)睦@線方

11、法：原來的副邊夾著繞線，減少匝數(shù)，增加繞線高度，減少繞線厚度。 31、3、直流濾波器電感的設(shè)計(jì)、電感量l、電流平均值Iav、電流波動(dòng)i。 設(shè)計(jì)前已知的物理量、設(shè)計(jì)步驟(帶氣隙鐵心)、鐵心處于第種工作狀態(tài)，電流中存在大的直流成分，鐵心存在大的直流偏磁，為了避免飽和，采用氣隙鐵心或磁導(dǎo)率合金鐵心，鐵損小，飽和限制Bm選擇。 32、第一步：選擇鐵心形式，根據(jù)所選擇的鐵心材料，確定與最大工作電流Im相對(duì)應(yīng)的磁密度Bm。第二步：計(jì)算繞組匝數(shù)，添加氣隙，因?yàn)榇怕凡伙柡?，所以是線性的。33、第三步：計(jì)算氣隙長度，帶氣隙鐵心的磁阻是氣隙磁阻。、矩形桿、圓形桿、第四步：檢查氣隙長度，合理的氣隙長度，34，第五步

12、：計(jì)算導(dǎo)體尺寸，電流主要是直流成分，交流成分小，所以忽略表皮效應(yīng)，其電流有效值接近電流平均值。導(dǎo)體截面積、第六步驟：驗(yàn)證窗面積、35、4、橋接變換器的高頻變壓器設(shè)計(jì)，鐵心在第I種工作狀態(tài)下工作B=2Bm； 采用鐵消耗大的鐵氧體或鐵基微晶鐵心。 輸入電壓： Uin，minUin，max輸出電壓： Uo輸出電流： Io，max=Po，max/Uo開關(guān)頻率： fs最大占空比： Dmax，設(shè)計(jì)前已知的物理量，36，第一步：選擇鐵芯形式，選擇所選的鐵芯材料開關(guān)頻率 50kHz，鐵損顯著增大，所以鐵損限制了磁密度的選擇。 根據(jù)工作頻率，在磁心損耗曲線上以比損耗100200kW/m3選擇b。38、第二步：計(jì)算線圈數(shù)，計(jì)算初級(jí)線圈數(shù)，39，最低輸入電壓且在最大負(fù)載時(shí)達(dá)到最大占空比。 變壓器的匝數(shù)必須以最低輸入電壓、額定輸出電流來設(shè)計(jì)，以使任何輸入電壓都能夠輸出所需電壓。 計(jì)算副邊繞組數(shù)、半波整流、40、全橋整流、41、倍流整流、42、第三步：計(jì)算導(dǎo)體尺寸，電流主要是交流成分，所以必須考慮表皮效應(yīng)。導(dǎo)體截面積，第四步：檢查窗戶面積，43，5，單相勵(lì)磁變換器的高頻變壓器設(shè)計(jì)，鐵心在第二種工作狀態(tài)下工作B=Bm-Br； 采用鐵消耗大的鐵氧體或鐵基微晶鐵心。 輸入電壓： Uin，minUin，max輸出電壓： Uo輸出電流： Io，max=Po，max/Uo開關(guān)