电力电子技术第十章-器件的磁设计

第十章器件的磁设计10.1磁性材料及磁芯10.2铜线绕组10.3发热问题10.4具体电感的设计10.5电感设计程序10.6变压器设计的具体分析10.7涡流10.8变压器的漏感10.9变压器的设计程序10.10电感和变压器的比较小结首页10.1磁性材料及磁芯第十章器件的磁设计10.1.1用作磁芯的磁性材料硅钢片铁，以及少量的铬、硅组成的合金片。❈硅钢片比铁氧体的电导率和更高的磁饱和度高，其值接近1.8T(特斯拉)。用作磁芯的磁性材料分类下页返回下页上页返回第十章器件的磁设计交变磁通通过硅钢片时产生损耗磁滞损耗涡流损耗❈硅钢片的涡流损耗较大，通常用于低频变压器(频率2KHZ或更低的情形)。❈硅钢片做成很薄的片状结构，可减少涡流损耗。❈可用铁粉以及铁合金粉末做磁芯(铁粉芯)。☏铁粉芯中的铁粉颗粒很小，它们的电阻率比硅钢片大，涡流损耗就比硅钢片小。下页上页返回第十章器件的磁设计❈在硅钢片磁芯材料中加入少量稀有元素，如，硼，镍，钴，铬等，可改善电感或变压器的一些特性。❈铁基纳米晶合金的发明是软磁材料发展的重要突破，此类合金的突出优点在于兼备了铁基非晶合金的高磁感和钴基非晶合金的高磁导率、低损耗，成本低的特点。❈纳米非晶合金可以替代钴基非晶合金、晶态坡莫合金和铁氧体，在高频电力电子和电子信息领域中已获得了广泛应用，它能有效减小体积、降低成本。下页上页返回第十章器件的磁设计❈不同磁芯材料的Metglas非晶合金的组合成份不同，其性能也不同。❈若在铁合金中添加少量的其它稀有金属，则它的电阻率要比大多数普通磁钢的电阻率大很多。❈Metglas铁合金经过迅速淬熄形成，迅速淬熄锻造技术可将合金锻造成很薄的片状结构。这些很薄的片状铁合金叠在一起做成的磁芯电阻率比大多数的普通磁钢大很多，所以被大量用于高频设备中。下页上页返回第十章器件的磁设计铁氧体铁和其它磁性元素的混合氧化物。❈铁氧体具有很高的电阻率，磁饱和度比较小，通常只有0.3T左右，因而它的磁滞损耗相对较大。❈铁氧体的电阻率较高，因而能有效降低铁氧体的涡流损耗。因为涡流损耗很小，所以铁氧体大多在超过10kHz的高频情况下使用。下页上页返回第十章器件的磁设计❈铁氧体是铁和其它磁性氧化物的混合体。它们具有很高的电阻率，但磁饱和度却比较小，通常只有0.3T左右，因而它的磁滞损耗相对较大。❈铁氧体的电阻率较高，因而能有效降低铁氧体的涡流损耗。因为涡流损耗很小，所以铁氧体大多在超过10kHz的高频情况下使用。下页上页返回第十章器件的磁设计10.1.2磁滞损耗磁性材料在工作时磁芯发热，导致温度的提高。磁滞损耗铁磁材料在交变磁场作用下的反复磁化过程中，磁畴会不停转动，相互之间会不断摩擦，因而要消耗一定的能量，产生功率损耗。下页上页返回第十章器件的磁设计fca0HHm-Hc-HmHceB-BmBmBr-BrbdAiul匝数：N磁势磁场强度磁滞现象磁感应强度B的过零滞后于磁场强度H的过零现象。下页上页返回第十章器件的磁设计铁芯饱和fca0HHm-Hc-HmHceB-BmBmBr-Brbd❋铁芯达到饱和后，再增加磁场强度也不可能改变磁感应强度的大小。磁场强度H在反方向继续增加至﹣Hm之后，磁感应强度B就不会再增加了，它基本上维持在磁感应强度的最大值Bm附近不变。下页上页返回第十章器件的磁设计fca0HHm-Hc-HmHceB-BmBmBr-Brbd❋若要退出饱和，必须减小磁场强度H，这样才能使磁感应强度B退出饱和，并在以后逐渐减小。磁滞回线通过磁场强度H的周期变化使磁感应强度B沿着a-b-c-d-e-f-a封闭回线变化的轨迹。下页上页返回第十章器件的磁设计❋正常情况下磁性材料不对外显示磁性。只有当磁性材料被磁化以后，它才能对外显示出磁性。❋铁磁材料在交变磁场的作用下，磁畴的方向处于不断的反复磁化过程。磁畴磁性材料内部的一个个小区域。磁滞损耗铁磁材料中大量紧挨着的磁畴在交变磁场的作用下因相互摩擦产生的损耗。下页上页返回第十章器件的磁设计设线圈中通以电流i，在铁芯内产生的磁场强度均为H，全电流定律为：idlHl根据Hl=Ni即i=Hl/N源供给线圈的瞬时功率为:p=ui忽略线圈电阻，线圈端电压应与感应电动势平衡，电磁感应定律为：dtdNeuAiul匝数：N下页上页返回第十章器件的磁设计为铁芯内的磁通量。设铁芯内的磁感应强度为B，则:=BABA=BA=BA=得：dtdBVHNHldtdBNAidtdNuip式中，V=A∙l为铁芯的体积Aiul匝数：N下页上页返回第十章器件的磁设计p是在铁芯中建立交变磁通，克服磁畴回转所需要的瞬时功率，其在一个周期T内的平均值即铁芯磁滞损耗：T：电流i的变化周期f：电流i的频率HdBfVpdtTPTh01f=1/T磁滞损耗与磁滞回线的面积，电流频率f和铁芯体积V成正比。HdB下页上页返回第十章器件的磁设计实际获得磁滞回线是采用与式对应的经验公式进行计算：HdBfVpdtTPTh01磁芯的磁滞损耗随着磁通强度Bm和开关频率f的增加而增加。kh为不同材料的磁滞损耗系数；a为实验确定的指数，与材料性质有关，其数值在1.5～2.0之间，作估算时可取2.0。VfBkPamhh=下页上页返回第十章器件的磁设计不同的铁磁材料，磁通密度为Bac，每单位体积的功率损耗Psp为：式中，k,a和d均为常数，材料的性质不同，其参数不同。上式只能在一定的频率及磁通密度范围内适用，不同的材料适用的范围也不一样。()dacaspBkfP=下页上页返回第十章器件的磁设计tBm=Bac➴如果磁通密度平均值等于零,式中的Bac取交流变化磁通密度的最大值Bm。()dacaspBkfP=➴如果磁通密度的平均值为Bavg，则式中的Bac=Bm-Bavg。()dacaspBkfP=BavgBactBm下页上页返回第十章器件的磁设计☞铁氧体磁芯3F3的Psp曲线图，单位体积功率损耗Psp为：Psp单位为mW/cm3频率的单位为KHz磁通密度Bac的单位为mTmTmWmm-3mWcm-33F3103102110磁功率损耗Pm1000C101001000102Gs40010025F(KHz)250C磁通密度最大值,Bas()5.23.16-10×5.1=acspBfP下页上页返回第十章器件的磁设计如选用Metglas铁合金材料作为磁芯，以磁芯2705M为例，它的单位体积功率损耗Psp可由下式求出：当频率为100KHz，磁通密度为100mT，则可计算出：3F3的Psp＝60mW/cm32705M的Psp＝127mW/cm3()28.16-10×2.3=acspBfP例下页上页返回第十章器件的磁设计✎变压器的电压电流等级(V-A)和工作频率与磁通密度的乘积(f∙Bac)有很大的关系。✎如果磁芯的磁损耗是一个常数，则可以根据经验值PF=f∙Bac计算，并根据计算结果选择所需要的铁氧体变压器磁芯。✎同一种材料，只有在一定的频率范围内，工作特性才比较理想。下页上页返回第十章器件的磁设计0246824682100100051015202530PF频率kHzA:3C85B:3F3C:3C10D:3B8E:3F4F:N47AB☃3C85在频率低于40KHz时，工作特性比较理想；☃3F3在40-420KHz时，工作特性比较理想；CD☃3F4在频率超过420Hz时，工作特性比较理想。EF工作频率不同，选择不同的工作磁芯。下页上页返回第十章器件的磁设计♨不同材料的温度，也会影响它的功率损耗Psp值。通常情况下，均假设磁芯能够正常工作的最高温度为100℃，这时的Psp值一般低于几百mW/cm3。♨Pm,sp值跟散热的速度有关，即与磁芯和周围环境之间的热阻有关。如果使用硅钢片作为磁芯，由于涡流损耗比较小，对应的Psp会更小。下页上页返回第十章器件的磁设计10.1.3趋肤效应的限制涡流当磁芯的材料是导电材料时，加在磁芯中的交变磁场在磁芯中产生自环电流。☞使用右手法则判断涡流的方向。Wxyzxdx-xd涡流方向l下页上页返回第十章器件的磁设计涡流产生一个与原磁场方向相反的磁场，这个磁场在磁芯的内部起屏蔽作用，使磁芯中的磁场逐渐减小，减小的幅度随着离磁芯中心的距离成指数变化。趋肤效应交变电流在导体截面上不是均匀分布，而是集中在导体表面流动的现象。磁场BB=2.718yδ0exyz下页上页返回第十章器件的磁设计趋肤深度磁场以指数形式的衰减过程中，其幅度衰减到中心幅值（导体表面）的1/e处所对应的距离。交变磁场的频率:f=w/2p，单位Hzmr：磁性材料的磁场相对渗透度s：磁性材料的电导率计算公式为：swmr2下页上页返回第十章器件的磁设计如果磁芯的横截面半径比趋肤深度长很多，则磁芯最内部的磁通密度非常小，甚至会完全没有，这种情况削弱了磁芯储能或者能量转换的能力。低频时，由于磁场相对磁导率比较大，因此趋肤深度比较小，随着频率的增加，趋肤效应将越来越严重。磁场BB=2.718yδ0exyz下页上页返回第十章器件的磁设计当用导电磁性材料做电感和变压器的磁芯（硅钢片）时，一般要做成很薄的片状结构，再一片一片地叠在一起，（t的典型值为0.3mm）0.05tt绝缘层硅钢片磁钢中加入少量的硅元素，可增加电阻率，但同时也增加趋肤深度。在工频(50-60Hz)情况下，硅钢片的成分比例必须合适。下页上页返回第十章器件的磁设计10.1.4叠片磁芯的涡流损耗涡流损耗导电磁芯中产生的涡流所带来的能量损耗。Wxyzxdx-xd涡流方向l加在其中的为正弦交变磁场，磁通密度为:()sin()BtBtw下页上页返回第十章器件的磁设计Wxyzxdx-xd涡流方向l✽假设厚度h比趋肤深度小很多，则涡流不会减少磁芯内部的磁通。✽如果该磁导体是用在变压器中的一片硅钢片，电导率为σ，假设在x处的厚度变化率为dx，如图所示，x-y轴的总磁通量可由下式求出：)(2)(txlBt下页上页返回第十章器件的磁设计运用法拉第定律，磁通的变化会产生一个电压u(t)，假设导体宽为d，长为2l，厚为dx的电阻，其表达式为：在这小环流中的瞬时功率损耗Dp(t)为：2()()utptrD即)cos(2=∂)(∂2=)(tBlxttBxltuww)(2dxdlrcore下页上页返回第十章器件的磁设计式中的括号()表示时间平均值。单位体积的功率损耗Pec,sp为：在整个体积上对式进行积分，得到硅钢片中对时间的平均涡流损耗Pec：2()()utptrDcorehcoreecptBldhlpdxtlxBddVtPP24)(cos2)]cos(2[)(2223202DcorespecptBhP24)(cos2222,ww下页上页返回第十章器件的磁设计Pec,sp和硅钢片厚度的平方成正比，只要硅钢片的厚度足够薄，涡流损耗就比较小。如果磁通和硅钢片的水平面(y-z平面)有一定的倾斜角，涡流损耗将变得比较大。硅钢片的电导率较大，趋肤效应和涡流损耗。硅钢片的功率损耗比铁氧体磁芯大。铁氧体中，由于电阻率很大，基本上没有趋肤效应和涡流损耗。下页上页返回第十章器件的磁设计10.1.5磁芯的尺寸和形状设计铁氧体磁芯主要有环形，带有气隙的罐形，UI型，EI型，EE型，以及UU型等。➶绕线有效面积Aw=hwbwdaa/2h/2baa/2hwbw14a1.9a下页上页返回第十章器件的磁设计对EE型的磁芯，经验上的最佳尺寸匹配是：ba=a,d=1.5a,ha=2.5a,bw=0.75a,hw=2adaa/2h/2baa/2hwbw14a1.9aha和ba的尺寸必须和骨架的hw和bw匹配下页上页返回第十章器件的磁设计EE型的磁芯各相关尺寸名称磁芯窗口面积AcorewcAPAA磁芯体积Vcore绕线槽总体积VW电感和变压器的总表面积绕线窗口面积Aw大小1.5a21.4a22.1a412.3a359.6a213.5cm31acm1.5cm21.4cm22.1cm413.5a312.3cm359.6cm2绕