第三章开关电源中的高频磁元件设计

开关电源中的高频磁元件设计1第一节磁性材料的基本特性磁元件在开关电源中的作用•当变压器使用•电气隔离、能量传递、根据变比不同，实现升、降压•电压、电流互感器•多脉波整流•当电感使用•储能、滤波•抑制电流尖峰，保护易受电流损坏的电子元器件•实现开关管的软开关3.1磁性材料的概述33.1磁性材料的概述磁元件设计的现状•无标准商品化元件；•优化函数多重;•磁学基础差;•实践和经验。磁性材料的磁化•物质的磁化需要外磁场；•被磁化的物质称为磁介质；•在磁场中放入磁性材料，磁场的磁感应强度B显著增大，磁场使得磁性材料呈现磁性的现象称为磁性材料的磁化。43.1磁性材料的概述磁性材料的磁化5铁磁材料之所以具有高导磁性，是因为在它们的内部具有一种特殊的物质结构—磁畴。铁磁材料内部的磁畴排列杂乱无章，磁性相互抵消，因此对外不显示磁性。（a）无外磁场情况磁畴因受外磁场作用而顺着外磁场的方向发生归顺性重新排列，在内部形成一个很强的附加磁场。（b）有外磁场情况铁磁材料内部往往有相邻的几百个分子电流圈流向一致，因此在这些极小的区域内就形成了一个个天然的磁性区域—磁畴。磁畴是怎么形成的？.1磁性材料的概述磁性材料的磁化6磁场是电流产生的，而电流总是被磁场所包围磁场方向电流方向磁场方向电流方向右手定则3.1磁性材料的概述•磁性材料的磁化过程7oa段是线性段，可逆ab段是上升段，不可逆bc段是磁化曲线的膝部C点以后是饱和段0BJHB——磁感应强度；J——磁化强度；0——真空磁导率；H——磁场强度。曲线A——0HB——JC——A+B，初始磁化曲线ab段反映了铁磁材料的高导磁性，磁导率可达102~104，由软磁材料组成的磁路磁阻很小，在线圈中通入较小的电流即可获得较大的磁通。c点以后说明铁磁材料具有磁饱和性。B不会随H的增强而无限增强，H增大到一定值时，B不能继续增强。3.1磁性材料的概述•饱和磁滞回线8BS——饱和磁感应强度Br——剩余磁感应强度HC——矫顽力将磁性材料沿磁化曲线OS由完全去磁状态磁化到饱和Bs，如再将外磁场H减小，B值将不再按照原来的初始磁化曲线（OS）减小，而是更加缓慢地沿较高的B减小。即使外磁场H=0时，B≠0。这种磁化曲线与退磁曲线不重合特性称为磁化的不可逆性。磁滞现象磁化的不可逆性磁感应强度B的改变滞后于磁场强度H的现象称为磁滞现象。基本磁学术语磁场：（国际电工委员会IEC的定义）电磁场的组成部分，采用磁场强度H和磁通密度B表示其特征。（我国国家标准定义）磁场是一种场，其特征可在场内运动着的带电粒子所受的力来确定，这种力源于粒子的运动及其所带电荷。3.1磁性材料的概述磁性材料的基本特性•磁感应强度B（磁通密度）•表征磁场中某一点的磁性强弱和方向的矢量10FBIL方向：左手定则单位：特斯拉（T）、高斯（GS），1GS=10-4T3.1磁性材料的概述•磁通f•穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总和。11cosSSdBdSffBSfnBαdSS或单位：韦伯（1Wb=1VS（伏秒））麦克斯韦（Mx）1Wb=108Mx3.1磁性材料的概述•磁场强度H•在任何磁介质中，磁场中某点的磁感应强度B与同一点的磁导率μ的比值称为该点的磁场强度H。12BH单位：安培/米（A/m）、奥斯特（Oe）1Oe=103/4π（A/m）3.1磁性材料的概述•磁导率•表征磁场中磁性能的物理量，可用来衡量磁介质导磁能力。磁导率μ在磁介质中不是常数。13μμiμmH（1）真空磁导率0mH/10470（2）初始磁导率i是磁性材料的初始磁化曲线始端磁导率的极限值，即HBHi00lim13.1磁性材料的概述（3）有效磁导率e在闭合磁路中，或多或少地存在着气隙，若气隙很小可以忽略，则可以用有效磁导率来表征磁芯的导磁能力。1472104eeAlNLL——线圈的自感量（mH）N——线圈匝数Ae——磁芯截面积（mm2）l——磁路长度(mm)（4）最大磁导率M磁导率中的最大值（5）动态磁导率d在磁化曲线上各点切线的斜率，表示该点附近磁感应强度随磁场强度变化的情况。dHdBd3.1磁性材料的概述•饱和磁感应强度BS•随磁芯中磁场强度H增加，磁感应强度出现饱和时的B值，称饱和磁感应强度BS。•剩余磁感应强度Br•磁芯从磁饱和状态去除磁场后，剩余的磁感应强度或残留磁通密度。•矫顽力HC•磁芯从饱和状态去除磁场后，继续反向磁化直至磁感应强度减小到零，此时的磁场强度称为矫顽力或保磁力。153.1磁性材料的概述•温度系数•温度系数为温度在T1~T2范围内变化时，温度每变化1℃，磁导率的相对变化量。1621211211()TTTT1——温度为T1时的磁导率2——温度为T2时的磁导率•居里温度TC•铁磁物质的磁化强度随温度过度升高将会下降，当达到某一临界温度时，自发磁化（即磁畴）便消失，这一临界温度称居里温度。在-T曲线上，80％的max与20％max连线与=1的交差点相对应的温度，即为居里温度。3.1磁性材料的概述•磁芯损耗（铁损）PC•磁芯在工作磁感应强度时的单位体积损耗，主要包括磁滞损耗(PH)、涡流损耗(PW)和残留损耗。•工作磁感应强度BW176104.44SWeUBfNABW——工作磁感应强度（mT）US——线圈两端的电压（V）f——频率（kHz）Ae——有效截面积（mm2）残留损耗是由磁化延迟及磁矩共振等造成，一般可不考虑。3.1磁性材料的概述•磁滞损耗•每次磁化所消耗的能量。180THPHdBf——频率（kHz）Bm——最大磁通密度Kh——比例系数，因材质而异1.6HhmPKfB注：磁滞损耗是不可恢复能量，转化为热能消耗掉。每磁化一个周期，就要损耗与磁滞回线包围面积成正比的能量，频率越高，损耗功率越大。在工作频率一定时，降低矫顽力可有效降低磁滞损耗。磁感应强度摆幅越大，包围面积越大，损耗也越大。工程计算可用下式：3.1磁性材料的概述•涡流损耗•是交变磁场在磁芯中产生环流引起的欧姆损耗。19d——密度，单位体积材料的质量r——磁芯的电阻率222216WWPdBfr注：涡流损耗取决于材料的截面尺寸和电阻率。在工作频率一定时，减小磁性材料厚度及提高其电阻率可减小涡流损耗。为减少涡流损耗，可将低电阻率的磁合金材料碾轧成薄带，用相互绝缘的n片薄带叠成相同截面积磁芯代替整块磁芯。.1磁性材料的概述•电感系数AL•电感系数是磁芯上每一匝线圈产生的自感量。20L——磁芯线圈的自感量（H）N——线圈匝数最大磁能积：退磁曲线上任何一点的B和H的乘积代表了磁铁在气隙空间所建立的磁能量密度，即气隙单位体积的静磁能量，由于这项能量等于磁铁B与H的乘积，因此也称为磁能积，磁能积随B而变化的关系曲线称为磁能曲线，其中一点对应的B和H的乘积有最大值，称为最大磁能积(BH)max。3.2磁性材料磁芯磁性能•按磁滞回线宽窄，把磁性材料分为软磁性材料和硬磁性材料两大类。•开关电源主要应用软磁材料。•软磁材料特点：•较高的磁导率——在线圈匝数和外加电压一定时，很小的激磁电流就能有较高的磁感应强度，因此在输出一定功率要求下，可减小变压器体积•磁芯矫顽力低——磁滞回环面积小，磁芯磁滞损耗小•高的电阻率——磁芯涡流损耗小22磁性材料的分类3.2磁性材料常用的软磁性材料•铁氧体24组成一般是氧化铁和其它金属成分组成材质特点深灰色或黑色陶瓷材料，质地既硬又脆，化学稳定性好优点电阻率高磁导率随频率的变化特别稳定形状、种类丰富，应用方便可广泛用于变压器电感等磁性器件的设计缺点饱和磁感应强度小温度稳定性差力学性能差、脆3.2磁性材料•磁粉芯25组成是一种由几类材料复合而成的复合型铁芯优点由于是将磁性材料与非导磁材料粉末复合而成，相当于在铁芯中加了气隙，具有在较高磁场强度下不饱和的特点。缺点但其相对磁导率较低，通常在20～300之间，主要用于制作滤波电感，其结构以环形为主。3.2磁性材料非晶态合金•非晶合金是近20年刚刚发展起来的一种新型磁性材料26组成由两类元素组成：一类是铁磁性元素（铁、钴、镍或者他们的组合），它们用来产生磁性；另一类是硅、硼、碳等，它们称为类金属，也叫做玻璃化元素，有了它们，合金的熔点比纯金属降低了很多，才容易形成非晶。分类铁基非晶合金；铁镍基非晶合金；钴基非晶合金；铁基纳米晶合金（超微晶合金）；特点电阻率可达120~150μΩ，为冷轧硅钢片的3倍，但远不如铁氧体；电阻温度系数小，可以为零或负值；居里温度高，可达350~700°C；饱和磁密度高，可达1.2~1.6T，比铁氧体高得多；形状规格由于比较脆，所以一般都制成环形或比较简单的闭合式C型（近似矩形）铁芯。一般都不开气隙，因为性能会变坏，导致损耗增加。3.2磁性材料磁芯的分类•按使用时磁化过程所产生磁力线的路径，磁芯可分为开路磁芯和闭路磁芯两类。•开路磁芯•这类磁芯的磁路是开启的，通过磁芯的磁通同时要通过周围空间（气隙）才能形成闭合磁路。•磁阻很大，磁路各个截面上的磁通不相等•磁芯有效磁导率比初始磁导率有所降低•IEC1332称开路磁芯为OP类磁芯。IEC1332（1995）《软磁铁氧体材料分类》的电子行业标准273.2磁性材料•闭路磁芯•这类磁芯的磁路是闭合的或基本闭合的，IEC1332（国际电工委员会IEC的定义）称闭路磁芯为CL类磁芯。28罐形磁芯在外，线圈在内，减少EMI（电磁干扰）；内部线圈散热不良，温升高E形配对使用，用于各种变压器或和扼流圈C形免去环形绕线困难缺点，可用机械绕线环形主要用于脉冲变压器和宽带变压器3.2磁性材料29罐形PQ形EE形EI形U形EC形•磁芯的使用一定要在居里温度以内；•综合考虑磁导率、脆度、硬度、温度稳定性等因素；•最后考虑工作频率和噪声；•铁氧体在磁场作用下，会使材料有收缩或膨胀现象，称为磁致伸缩现象。EMI(电磁干扰)~电磁干扰（ElectromagneticInterference简称EMI），是指电磁波与电子元件作用后而产生的干扰现象，有传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合(干扰)到另一个电网络。辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合(干扰)到另一个电网络，在高速PCB及系统设计中，高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源，能发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。（国际电工委员会IEC的定义）3.2磁性材料31改良型磁芯：如果把罐形磁芯外圆切掉一部分，或与其他形状的磁芯综合，则变的通风良好，解决了罐形磁芯温升过高的问题。EP形铁粉心1．高饱和磁感应强度，可以达到10000高斯以上，可以在大电流下工作而不饱和，具有优异的直流叠加特性；2．良好的稳定性和可靠性，非常好的磁导率频率特性，使用频率范围宽，可以从KHz～GHz；3．磁导率范围6～100，4．产品可以为E型，U形，棒形，SMD形等复杂形状；5．有着良好的温度特性，可以在-55～125℃的范围内正常工作；6．与硅钢和铁氧体材料相比铁粉心对噪音有着更好的阻挡和吸收特性；7．高能量存储密度；8．使用原材料为铁粉，制作工艺相对简单（不用进行退火处理），价格低廉。主要材质型号：-2材质，-8材质，-18材质，-26材质，-28材质，-33材质，-40材质，-52材质等八种通用型材质。铁粉芯的应用磁导率为60～90的材料主要应用为EMI和储能滤波器用电感器，有效工作频率范围为75KHz（不计干扰频率），如EMI滤波器（差模电感器、直流滤波电感器），逆变电感器、开关电源变压器输出电感器；磁导率为20～50的材料主要应用为RF变压器、纯电感器、储能电感器，适用频率为50kHz～2MHz（目前功率变压器的开关频率可以为250kHz～1MHz），如开关电源变压器；磁导率为6～20的材料广泛的应用在RF的频率范围，典型的应用是工作频率在2MHz～500MHz的RF变压器、纯电感器，一些雷达设备使用该材料可以应用到1GHz，以其低损耗、良好的温度