第三章开关电源中磁性器件设计

第三章开关电源中磁性器件设计§3.1磁性器件设计基础一磁性能参数1磁感应强度B*方向：右手定则ILFB*单位：特斯拉（T）、高斯（GS），1GS=10-4T*表征磁场中某一点的磁性强弱和方向的矢量2磁场强度H*单位：安培/米（A/m）、奥斯特（Oe）*单位：韦伯（1Wb=1VS（伏秒））、麦克斯韦（Mx）3磁通*穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总和，即BS*1Wb=108Mx4磁导率μHB/*是表征磁场中铁芯磁性能的物理量，可用来衡量磁介质导磁能力。*磁导率μ决定了某点磁感应强度与磁场强度的关系，即：*1Oe=103/4π（A/m）（2）初始磁导率HBHi00lim1（1）真空磁导率mH/10470*磁导率μ在磁介质中不是常数。*是磁性材料磁化曲线始端磁导率的极限值，即：*B特斯拉（T）、H安培/米（A/m）（3）有效磁导率μe72104eeAlNL*在闭合磁路中（漏磁可忽略），有效磁导率为μμiμmH（4）最大磁导率（5）动态磁导率5温度系数dHdBd)(11212112TTTTau其中L：线圈自感、N：线圈匝数Ae：磁芯截面积、l：磁路长度磁导率中的最大值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。*温度在T1～T2范围内变化时，温度每变化一度相应磁导率的相对变化量，即：μμiμmH*单位7电感因数AL2/NLAL29/10NH6居里温度*确定了磁性器件工作的上限温度，如铁氧体为450度。*μ1、μ2分别是温度为T1、T2时的磁导率。*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。*具有一定形状和尺寸的磁芯上每匝线圈产生的自感量，称为自感系数，即：二磁芯损耗*对于一定规格的磁芯，有效磁导率与自感系数有如下关系，即：4.0/ALCe*C是与磁芯尺寸有关的常数*指磁芯在最大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(Pe)和剩余损耗(Pc)，即：1磁滞损耗(Ph)*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。三磁路基本定律（复习）1磁通连续原理2安培环路定律3磁路欧姆定律4法拉第电磁感应定律*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。*磁感应强度摆幅越大，包围面积越大，损耗也越大。2涡流损耗(Pe)*涡流电阻取决于材料的截面尺寸和电阻率。*在工作频率一定时，降低矫玩力可有效降低磁滞损耗。*为减少涡流损，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。（4）测量电压或电流四磁性器件在电源中的作用1变压器的作用（1）电气隔离（2）通过调节变比进行升降压（3）传递能量或信号2电感的作用（1）储能（4）与电容产生谐振（2）滤波（3）抑制尖峰电压或电流§3.2磁性材料和性能一磁芯的磁特性1磁化特性（B-H曲线）2磁饱和特性*磁感应强度随外加磁场强度的变化曲线*所谓磁特性就是指磁感应强度与外加磁场强度的关系*当磁场强度足够大时，磁感应强度达到一个确定的饱和值，再继续增大磁场强度，磁感应强度保持不变。*曲线上的Bs称饱和磁感应强度。BsBH3磁滞特性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。*剩余磁感应强度Br磁性材料磁化到饱和后，又将磁场强度下降到零时，磁性材料中残留的磁感应强度，即称为剩余磁感应强度，简称剩磁。*矫顽力Hc*矩形系数磁芯磁化到饱和后，由于磁滞现象，要使磁介质中B为零，需有一定的反向磁场强度-H，此磁场强度称为矫顽力Hc。①也称矩形比，是剩余磁感应强度Br与饱和磁感应强度Bs之比。②可用来表征磁芯材料特性矩形程度的参数。③具有高矩形系数的磁芯材料适合于作以强非线性磁特性为原理的器件。1磁芯线圈的外加激励电压是一个纯交变量二工作状态*是正负半周的波形*幅值及导通脉冲宽度相同*如推挽式或全桥式拓扑结构*特点及对磁芯的要求①磁感应强度B在±Bm之间变化，其变化量mBB2磁芯利用率高，一般取Bm＜Bs。Bs越大，Bm可取得大，磁芯的体积、重量就可减小，所以应选取高饱和磁感应强度的材料。②磁芯损耗大应选取磁滞回线窄及电阻率高的材料磁芯沿整个磁滞回线交替变化，所以损耗较大。工作频率高时，尤为突出。③为减小激励电流，应选高磁导率的材料。(2)加在磁芯线圈的激励电压为单向脉冲*一般是矩形，如单端正激的变压器或驱动变压器等。④磁滞损耗小(3)流过线圈的电流中具有较大的直流分量*叠加一交流分量*特点及对磁芯的要求①，为不使磁芯饱和，应取Bm＜Bs。rmBBB*磁芯的磁化状态沿局部磁滞回线变化*直流滤波电感，储能电感等工作于此状态。rsBBB即：②磁芯利用率低，为增加，应选高Bs、低剩磁的材料。B③虽然加气隙，可降低剩磁，但气隙大会增加激励电流，增加铜损。①交变磁化分量小、损耗小。②含较大直流分量，为使磁芯不饱和，必须加适当的气隙。三常用磁性材料③此类磁芯希望其最大储能大，要求最大磁感应强度大。*特点及对磁芯的要求*如果磁滞回线很宽，即Hc很高，需要很大的磁场强度才能将磁材料磁化到饱和，同时需要很大的反向磁场强度才能将材料中磁感应强度下降到零，我们称这类材料为硬磁材料。*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。*如铝镍钴，钐钴，钕铁硼合金等永久磁铁，常用于电机激磁和仪表产生恒定磁场。这类材料磁化曲线宽，矫顽磁力高。软磁性材料：磁滞回线较窄，矫顽力小。硬磁性材料：磁滞回线较宽，矫顽力大，剩磁大。*另一类材料在较弱外磁场作用下，磁感应强度达到很高的数值，同时很低的矫顽磁力，即既容易磁化，又很容易退磁，这类材料为软磁材料。*开关电源主要应用软磁材料。属于这类材料的有电工纯铁、电工硅钢、铁镍软磁合金、铁钴钒软磁合金和软磁铁氧体、非晶态合金等。对比：（1）铁氧体的组成1铁氧体在开关电源中，应用得最多的材料是软磁铁氧体。*铁氧体是深灰色或黑色陶瓷材料，质地既硬又脆，化学稳定性好。*铁氧体成分一般是氧化铁和其它金属成分组成——MeFe2O3。其中Me表示一种或几种2价过渡金属，如锰(Mn)，锌(Zn)，镍(Ni)，钴(Co)，铜(Cu)，铁(Fe)或镁(Mg)。*最普通的组合是锰和锌(MnZn)，或镍和锌(NiZn)，再加入其它金属，达到所希望的磁特性。*镍锌(NiZn)铁氧体具有更高的电阻率，因此它适合工作在1MHz以上的场合。*而锰锌(MnZn)铁氧体电阻率较低，通常工作在1MHz以下，但具有很高的磁导率和较高饱和磁感应强度。（2）铁氧体应用参数*铁氧体除了一般磁材料的参数外，还有有效磁芯尺寸、电感系数等。*为了使磁芯电感容易计算，给出电感系数AL，它表示磁芯具有1匝（或规定整数匝，例如1000匝）线圈时的电感量。*如果线圈为N匝，电感量为：*当AL为1000匝时电感量，N匝线圈电感量为：（3）材料性能①电阻率(ρ)锰锌铁氧体0.1～20Ωm、镍锌铁氧体为104～106Ωm。电阻率还与温度和测量频率有关。②磁化曲线右图是某型号铁氧体的低频磁滞回线由于在铁氧体中存在粘结剂，与磁粉芯类似的原因，饱和过程是缓慢的。(4)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(5)缺点*饱和磁感应强度小*温度稳定性差*力学性能差、脆磁芯损耗和工作频率与磁感应强度变化范围有关，可参考赵修科《开关电源中磁性元器件》。磁化曲线与温度的关系，在100℃时，饱和磁感应强度由常温（25℃）的0.42T下降到0.34T。因此，在选择磁芯时应考虑这一因素。③损耗（6）形状和规格罐形PQ形EE形EI形U形*是一种由几类材料复合而成的复合型铁芯*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。*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。2磁粉芯3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*它们在化学成分上的一个共同点是：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。（1）什么是非晶合金和微晶合金非晶合金是将金属合金加热后由气态或液态从超薄间隙快速喷出，快速冷却（每秒几万度）所形成的非晶体状态微米级超薄金属带。微晶合金则是对铁基非晶合金经过处理而形成的更薄的金属带。（2）非晶合金的分类②特点是磁性强（饱和磁感应强度可达1.4-1.7T）、软磁性能优于硅钢片；*铁基非晶合金：①主要元素是铁、硅、硼、碳、磷等；③价格便宜，最适合替代硅钢片，作为于中低频变压器的铁芯（一般在10千赫兹以下）；④例如配电变压器、中频变压器、大功率电感、电抗器等。④例如漏电开关、互感器。*铁镍基非晶合金：①主要由铁、镍、硅、硼、磷等组成；②磁性比较弱（饱和磁感应强度大约为1T以下）；③价格较贵，但磁导率比较高，可以代替硅钢片或者坡莫合金，用作高要求的中低频变压器铁芯；*钴基非晶合金：①由钴和硅、硼等组成，有时为了获得某些特殊的性能还添加其它元素；②由于含钴，价格很贵，磁性较弱（饱和磁感应强度一般在1T以下），但磁导率极高；③一般用在要求严格的军工电源中的变压器、电感等，替代坡莫合金和铁氧体。*铁基纳米晶合金（超微晶合金）：①它们由铁、硅、硼和少量的铜、钼、铌等组成，其中铜和铌是获得纳米晶结构必不可少的元素；②首先被制成非晶带材，然后经过适当退火，形成微晶和非晶的混合组织；③这种材料便宜，但磁性能极好，几乎能够和钴基非晶合金相媲美；④是工业和民用中高频变压器、互感器、电感的理想材料，也是坡莫合金和铁氧体的换代产品。（3）非晶合金和微晶合金的特点*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；*矫顽力小，为硅钢片的几十分之一，铁芯损耗小；*温度稳定性不好，从25°C升到250°C时，Bs降低30％，Hc增大20%；*常见的形状有环形和矩形。（4）形状和规格*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。四对磁芯的基本要求1磁导率高2矫顽力低3高电阻率*磁感应强度B=µH，因此在一定的磁场强度(H)下，B值取决于材料的μ值，对要求一定磁通量(φ∝BS)的磁器件，选用μ值高的材料，就可以降低外磁场的励磁电流值，从而降低磁元件的体积。*材料的矫顽力越小，就表示磁化和退磁容易，磁滞回线狭窄，在交变磁场中磁滞损耗就越小。*在交变磁场中工作的磁芯具有涡流损耗，电阻率高，涡流损耗小。4具有较高的饱和磁感应强度*磁感应强度高，相同的磁通需要较小磁芯截面积，磁性元件体积小。*在低频时，最大工作磁通密度受饱和磁通密度限制；但在高频时，主要是损耗限制了磁通密度的选取，饱和磁通密度大小并不重要。§3.3功率变压器的设计一设计中的一般性问题（1）双端功率变压器1功率变压器的工作状态*全桥、半桥、推挽等拓扑中的变压器*变压器原边绕组在一个周期的正、负半周加上一个幅值和脉宽均相同而方向相反的脉冲电压（一般是矩形波）。*正负半周的激励电流大小相等、方向相反，磁心中产生的磁通沿交流磁滞回线对称地上下移动，磁心工作在整个磁滞回线上。*在一个周期中，磁感应强度B从正最大值变化到负最大值，磁心中