开关电源磁芯材料的基本参数(H)

中锐信科技术有限公司[e-mail]周洁敏2012年11月8日北京“开关电源中的磁元件设计”南京航空航天大学专题2开关电源中常见的磁性材料专题3变压器中的分布参数及线圈专题1开关电源中磁性材料的基本参数专题4变压器损耗及热设计专题5磁元件设计的基本问题专题6正激变换器变压器设计专题7半桥变换器设计专题8直流滤波电感设计的基本问题专题12磁粉芯直流滤波电感设计专题13平面磁元件简介专题10反激变压器电感设计（连续）专题15开关电源热设计专题14磁集成技术简介专题11反激变压器电感设计（断续）专题9带气隙的铁氧体电感设计掌握单位的物理意义，由于电磁学的单位经常用科学家的名字命名的因此不容易记忆与换算，如韦伯、奥斯特、特斯拉、高斯、亨利和安培等；学会联想学习，与电路的概念，力学的概念，能量等进行联想学习，因为我们已经有很好的物理基础（力学，电学两大门类）；始终以变化的概念对待磁的问题，不变就没有工程应用价值，即始终不忘记频率这个参数。学习方法做开关电源没有最好，只有更好。磁性元件设计同样也是如此应该获得“渔”的能力，而不是“鱼”。研发开关电源，说到底有一个十分重要的工作就是设计变压器、设计电感等磁性元件，其他元件虽然也要设计，都可以买到。磁元件的设计经常成为“拉路虎”磁元件无法集成、很难批量生产、很难流水线生产、个体差别大。19-20世纪初磁学里四位伟大科学家Maxwell:麦克斯韦电磁场理论Lenz:楞次定律Amper:安培定律Frady:电磁感应定律磁场的单位制标准统一，计算方便，用于国际学术交流，但工程应用不方便。国际单位制SI制或MKS制实用单位CGS制工程上使用比较方便英美国家通常用CGS制，我国则采用MKS制无外磁场作用下特点有外磁场作用下的特点磁化(Magnetization)小磁针放在磁铁附近，在磁力的作用下的表现。磁力线，磁感应线，磁通线表示磁场；并不真正存在这些线条，也没有物理量在这些线条上流动，只是为了表达。磁场的表达载流导体周围有磁场，说明下列问题:理解磁现象的时候，千万别忘记。能量、时间和场地三个要素。A.电流产生磁场；B.电流被磁场包围。如果将载流导体或运动电荷搬到磁场中，导体受到作用力，克服作用力移动则要做功，而做功需要能量，能量变化需要场地和时间。1.1电流与磁场磁场是电流产生的，而电流总是被磁场所包围。右手定则安培定则，右手定则(a)单根载流导体产生的磁场(b)螺线管电流产生的磁场等磁位线磁场最强处这种导线是传输电能的导线，其中一个是正线，另一根是负线。由这个图你能想到什么？+空心线圈磁场。每根导线单个的磁场在线圈内叠加产生高度集中和磁力线流畅的磁场。磁场最强的地方和磁场最弱的地方？中心部位磁场最强，线圈内的磁场能量密度高。线圈以外磁场最弱，还存储相当大的能量，原因是体积扩展到无限大。(1)磁感应密度B(fluxdensity)用单位长度的导线，放在均匀的磁场中，通过单位电流所受到的力的大小表示磁场的强弱，磁感应强度。/()BFIL磁场内某点磁场强弱和方向的物理量左手定则判断方向单位：特斯拉T国际单位（SI）制高斯GS电磁单位（CGSM）制1.2电磁基本定律一根1米长通有1A的导体放在1特斯拉的磁场中受到的电磁力为1牛顿。要研究磁感应强度的单位要从源头分析“力”1特斯拉=1牛顿/(安培米)（国际单位制，SI）1高斯=1克/(安培厘米)(厘米克秒制，CGS)1T=10000GS(思考一下？)1特斯拉的定义垂直通过一个截面的磁力线总量称为该截面的磁通量，简称磁通，用Φ表示。(2)磁通Φ(flux)Flux:磁通cosAdBdA通过单元截面积的磁通法线与B的夹角磁通是标量单位：韦伯，Wb简称韦SI制麦克斯韦，Mx简称麦CGSM制1韦＝108麦在一般磁芯变压器和电感中，给定结构磁芯截面上，或端面积相等的气隙端面间的磁场基本上是均匀的，磁通可表示为BA均匀磁场中的磁通AmNmmANmTWb1111111)(1)(122磁密单位Ｂ：牛顿／(安米)面积单位Ａ：平方米磁通单位：１牛顿米／安，用韦伯Ｗb表示。AmNmmANmTWb1111111)(1)(122磁通就是磁力线的数量。BA磁通单位换算2424281x1Gs1cm110,110110MGsTcmmMxWb国际单位制：MKS米千克秒制实用单位：CGS厘米克秒制间的换算BA（3）磁导率μ和磁场强度(H)磁场中引入μ，解决磁场强度H和磁感应密度B的数量关系，表示磁场媒介对磁的固有特性的物理量。lRA电路中的电压和电流的关系，为了描关系，引入电阻R，表示导体对电荷固性的物理量。1)磁介质的磁导率()电流在不同的介质中产生的磁感应强度B是不同的,用系数来表征物质导磁能力。真空中的磁导率mH70104r0相对磁导率2）磁场强度H在任何介质中，磁场中某点的B与该点的的比值定义为该点的磁场强度H，即BH磁场强度是矢量单位：安/米SI制奥斯特OeCGSM制注意定义的描述31A/m4π10Oe,1OeA/mπ100＝0.4所谓某点磁场强度H大小，并不代表该点磁场的强弱，代表磁场强弱的是磁感应强度B。引入H主要为了便于磁场的分析计算在不同的介质中，由于磁导率不一样，H在边界处发生突变。1、磁场强度H与媒介无关2、磁场强度H只与产生它的电流有关。3、相同的电流在不同的媒介中产生的磁感应强度B不同,而磁场强度H一样,揭示材料的导磁能力。用值表示材料的导磁性能关于磁通的几个定理磁场强度与媒介有关系吗?在磁场中任意一个封闭曲面内，磁感应强度向量的面积积分恒等于零。磁场中的高斯定理0AdAB(4)磁通连续性定理即高斯定理ABBinout截面沿红线切割(5)安培环路定理:全电流定理电流I与磁场强度H有密切的关系，用安培环路定理，解决了它们之间的数量关系。电流产生的磁场中，矢量H沿任意闭合曲线的积分等于闭合曲线所包围的所有电流的代数和，llIdlHldHcosld磁场中A点附近沿曲线微距离矢量磁场中某点A处的磁场强度HH之间的夹角ld与I闭合曲线所包围的电流代数和lINrINHINlHrHNIIHrlH222HdllrANlIa）环形均匀介质的磁场强度磁场强度最大值点Ib)单导线的磁场弱弱最强c)电流相反方向导线间磁场H磁场强度的变化规律d)变压器线圈间磁场（1）国际单位制:磁场强度单位:安/米，A/m；（2）CGS制:奥斯特即安/厘米；简称Oe。d)磁场强度单位的研究31A/m4π10Oe,1OeA/mπ100＝0.4dtdiLmHmsmAsVmAWbWHBdtdNe)/(A/mb/m2米亨的单位的单位的单位)/(A/mb/m2米亨的单位的单位的单位mHmsmAsVmAWbWHBddddNetLietddddieNLtt磁通即伏秒面积e)的单位的推导000U/Vt/st/st/sU/VU/V三种典型波形的伏秒面积只有正弦波才能面积积分归零H/m104π1000.4π10OeGs1μA/m0.4π1001OeT101Gs7404真空的磁导率用CGS制表示为1，道明了奥斯特的意义。(Gs/Oe)10单位换算法拉第电磁感应定律楞次定律研究方法:实验方法，抓住磁通变化这个核心问题讨论。观察条形磁铁接近和离开线圈的同时，电流指针的变化情况。(6)电磁感应定律公式表明:单匝线圈匝链的磁通在1秒内变化1Wb时，线圈端电压为1V。单匝线圈ΔtΔΦetNteNΦΨN匝线圈磁链感生电流总是试图维持原磁通不变，这就是楞次定律。1、解决了感应电动势与磁通变化率之间的关系，并没有说明感应电动势的方向。2、描述感应电动势方向的是楞次定律，描述如下：法拉第电磁感应定律1、磁场的惯性定律2、维持不变就是阻碍变化楞次定律的其它理解电流产生磁场，载流导体在磁场中受力，有力就会产生运动，有运动就要做功，要做功就必须有能量，有能量就要有储存的地方，移动能量需要时间和场地，就会引起状态的改变。(7)电磁能量关系根据电磁感应定律有dtdBNAeuNHli线圈中磁通增长相应的磁化电流为：dtdtdBNANHLiudtWtte00电路输入到磁场的能量为：电路输入到磁场的能量BBeHdBVAlHdBW00BBeHdBVAlHdBW00再经过时间t,线圈中磁场达到了B磁场的体积AlV22m0222BBBBHVHWVdBVV存储在磁场中的能量：磁能积单位体积的磁场能量是磁场强度与磁感应强度乘积的1/2。m2BHWV磁能积通入的电流电压波形示意图磁环的磁化特性曲线AINcmlH150162cmAm/106027，，)(cm103221636-AlV输入条件求磁芯中存储的能量(J)103592531210601032262762m..μHVW312.5(A/m)3.125A/cm16501lINH例题解磁芯中的平均磁场强度磁芯的体积磁芯中存储的能量2、磁场用磁力线形象描述。磁力线是无头无尾的光滑曲线，其切线方向表示磁场方向。在磁铁内部，磁力线是由南极指向北极；而在外部是由北极指向南极。1、只要有电流，不管是恒定的还是变化的，都会产生磁场。开关电源中的软磁材料FERROXCUBEFerriteCores铁氧体磁芯,Bobbins线圈骨架,Hardware,EMISuppressionCoresFerriteCores,Bobbins,Hardware,MPP,HighFlux,TapeWound,KoolMuMAGNETICS铁氧体软磁材料美界，美金VACUUMSCHMELZENano（纳米晶体）crystalline&Amorphous（非晶）CoresandComponents(Chokes：扼流圈）,Transformers,Sensors互感器)MICROMETALSPowderedIronCores德国磁芯材料公司铁粉芯FERRITEINTERNATIONALFerriteCoresEMIsuppressioncores,ferritetoroidsLAIRDTECHNOLOGIESFerriteCores,BobbinsNICERA英资莱尔德科技磁性材料元件的应用共模滤波器市售各种规格的磁芯以铁氧体为例说明厂家提供的设计数据磁性材料通常有7条曲线描述开关电源中的软磁材料厂家手册中给出的许多个关键参数6、相对磁导率1、初始磁导率Initialpermeabilityrelativelypermeability与磁化特性曲线有关的参数4、幅值磁导率amplitudepermeabilityincrementalpermeability3、增量磁导率5、绝对磁导率absolutelypermeabilitycomplexpermeability7、复数磁导率2、有效磁导率effectivepermeability8、饱和磁通密度Saturationmagneticfluxdensity9、剩余磁通密度Residualmagneticfluxdensity10、矫顽力Coercivity11、损耗因数12、比损耗因素13、品质因素LossfactorRelativelossfactorQualityfactor14、磁滞损耗常数hysteresismaterialconstant与损耗相关的参数16、居里温度17、减落因数CurietemperatureDis-accommodationfactor15、相对温度系数Relativetemperaturecoefficient与温度相关的参数19、电阻率21、电感因数ElectricalresistivityInductancecoeffi