磁芯材料的介紹

1、電力電子電路常用磁芯元件的設(shè)計一、常用磁性材料的基本知識磁性元件可以說是電力電子電路中關(guān)鍵的元件之一，它對電力電子裝置的體 積、效率等有重要影響， 因此，磁性元件的設(shè)計也是電力電子電路系統(tǒng)設(shè)計的重 要環(huán)節(jié)。磁性材料有很多種類，特性各異，不同的應(yīng)用場合有不同的選擇，以下 是幾種常用的磁性材料。1低碳鋼低碳鋼是一種最常見的磁性材料，這種材料電阻率很低，因此渦流損耗較 大，實際應(yīng)用時常制成硅鋼片。硅鋼片是一種合金材料（通常由97%的鐵和 3%的硅組成），它具有很高的磁導(dǎo)率，并且每一薄片之間相互絕緣，使得材料的渦 流損耗顯著減小。 磁芯損耗取決于材料的厚度與硅含量， 硅含量越高、 電阻率越 大。這種材

2、料大多應(yīng)用于低頻場合，工頻磁性元件常用這種材料。2鐵氧體隨著工作頻率的提高， 對磁芯損耗的要求更高， 硅鋼片由于制造工藝的限制， 已經(jīng)很難滿足這種要求，鐵氧體就是在這種形勢下出現(xiàn)的。鐵氧體是一種暗灰色或者黑色的陶瓷材料。鐵氧體的化合物是MeFe2O4,這里Me代表一種或幾種二價的金屬元素，例如，錳、鋅、鎳、鉆、銅、鐵或鎂。 這些化合物在特定的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的磁性能,但是如果超出某個溫度 值，磁性將失去，這個溫度稱為居里溫度（Tc）。鐵氧體材料非常容易磁化，并 且具有相當(dāng)高的電阻率。 這些材料不需要像硅鋼片那樣分層隔離就能用在高頻的 應(yīng)用場合。高頻鐵氧體磁性材料主要可分為兩大類：錳鋅（ M

3、nZn ）鐵氧體材料和鎳鋅 （NiZn）鐵氧體材料。比較而言，NiZn材料的電阻率較高，一般認(rèn)為在高頻應(yīng) 用場合下具有較低的渦流損耗。 但是最近的研究表明， 如果顆粒的尺寸足夠小而 且均勻，在幾兆赫茲范圍內(nèi) MnZn 材料顯示出較 NiZn 材料更為優(yōu)越的特性，例 如， TDK 公司的 H7F 材料以及 MAGNETICS 公司的 K 材料就是采用這種技術(shù)， 適用于兆赫茲工作頻率下工作的新型鐵氧體材料。3粉芯材料粉芯材料是將一些合金原料研磨成精細(xì)的粉末狀顆粒，然后在這些顆粒的表 面覆蓋上一層絕緣物質(zhì)（它用來控制氣隙的尺寸，并且降低渦流損耗） ，最后這 些粉末在高壓下形成各種磁芯形狀。由于原料成

4、分的不同，粉芯材料又可分為鐵粉芯、鉬坡莫合金粉芯（MPP）和高磁通粉芯（鐵鎳磁粉芯）等材料。鐵粉芯是所有粉芯材料中最為便宜的材料，磁導(dǎo)率一般在 480左右。由于 顆粒之間相互都絕緣， 與硅鋼片相比雖然渦流損耗被大大地降低， 但高頻情況下 由損耗導(dǎo)致的溫升仍很高。 所以鐵粉芯一般用于較低開關(guān)頻率的場合。 鐵粉芯的 飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度一般在1特斯拉（T）左右。MPP磁芯的相對磁導(dǎo)率一般在14350,飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.7T左右。在現(xiàn) 有的粉芯材料中， MPP 具有損耗低、溫度穩(wěn)定性好的優(yōu)勢。此外，它也是磁導(dǎo) 率選擇范圍最廣的粉芯材料。 但是由于鎳的含量高, 所以它也是最昂貴的粉芯材 料。由于MPP磁芯

5、在所有粉芯材料中磁損最低，所以它特別適合應(yīng)用于反激電 路, Buck/Boost 以及功率因數(shù)校正電路,此外均勻分布的氣隙使銅損大大降低。高磁通粉芯是一種氣隙均勻分布的磁環(huán)，由50%鎳和 50%鐵合金粉末制成，它的相對磁導(dǎo)率一般在14200。高磁通粉芯的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高達(dá) 1.5T,而一 般MPP為0.7T，鐵氧體為0.45T。與鐵粉芯相比，高磁通粉芯的磁損大大地降 低，又由于高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度， 該磁芯使得絕大多數(shù)場合下鐵粉環(huán)尺寸降低成為 可能。4非晶及納米晶軟磁合金非晶態(tài)金屬與合金是 20世紀(jì) 70年代問世的一類新型材料，采用了超急冷凝 固技術(shù)，從鋼液到薄帶成品一次成型。 由于超急冷凝固，

6、合金凝固時原子來不及 有序排列結(jié)晶， 得到的固態(tài)合金是長程無序結(jié)構(gòu)， 沒有晶態(tài)合金的晶粒、 晶界存 在，稱之為非晶合金。這種非晶合金具有優(yōu)異的磁性、耐蝕性、耐磨性、高的強(qiáng) 度、硬度和韌性， 高的電阻率和機(jī)電耦合性能等。 由于它的性能優(yōu)異、 工藝簡單， 從 80 年代開始成為國內(nèi)外材料科學(xué)界的研究開發(fā)重點。目前美、日、德國已具 有完善的生產(chǎn)規(guī)模， 并且大量的非晶合金產(chǎn)品逐漸取代硅鋼和坡莫合金及鐵氧體 而涌向市場。常用的非晶合金的種類有：鐵基、鐵鎳基、鈷基非晶合金以及鐵基 納米晶合金。、磁芯材料的基本參數(shù)（1）初始磁導(dǎo)率4初始磁導(dǎo)率是磁性材料的磁化曲線始端磁導(dǎo)率的極限值，即L 1 B 二 JHm

7、h式中卩0=4江"OH/m為真空磁導(dǎo)率，H為磁場強(qiáng)度（單位：A m），B為磁感應(yīng)強(qiáng)度（單位：T）。初始磁導(dǎo)率片與溫度和頻率有關(guān)。（2）有效磁導(dǎo)率在閉合磁路中，磁芯的有效磁導(dǎo)率為1 107Ae磁性材料磁滯回線附圖1 1He稱為矯頑磁力（或保磁力）T1T2內(nèi)變化時，每變化。1C對應(yīng)的磁導(dǎo)率相對變化量式中L為線圈的自感量（mH）; N為線圈匝數(shù)；l/Ae為磁芯常數(shù)，是磁路長 度I與磁芯截面積Ae的比值（單位：mm-1 ）。（3）飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs在指定溫度（25 r或100 C ）下，用足夠大的磁場強(qiáng)度磁化磁性物質(zhì)，磁化 曲線接近水平線（見附圖1- 1）時，不再隨外磁場強(qiáng)度增大而明顯增大對

8、應(yīng)的 B 值，稱飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs。（4）剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br鐵磁物質(zhì)磁化到飽和后，又將磁 場強(qiáng)度下降到零時，鐵磁物質(zhì)中殘留 的磁感應(yīng)強(qiáng)度即為Br，稱為剩余磁感 應(yīng)強(qiáng)度，簡稱剩磁。（5）矯頑磁力He磁芯從飽和狀態(tài)去除磁場后，需 要一定的反向磁場強(qiáng)度-He,使磁感應(yīng)強(qiáng)度 減小到零，此時的磁場強(qiáng)度（6）溫度系數(shù)a,溫度系數(shù)為溫度在1T2 >Ti式中叫為溫度為T1時的磁導(dǎo)率,J為溫度為T2時的磁導(dǎo)率(7) 居里溫度Tc居里溫度是指材料可以在鐵磁體和順磁體之間改變的溫度。低于居里溫度時該物質(zhì)成為鐵磁體，此時和材料有關(guān)的磁場很難改變。當(dāng)溫度高于居里溫度時， 該物質(zhì)成為順磁體，磁體的磁場很容易隨周圍磁

9、場的改變而改變。(8) 磁芯損耗(鐵耗)Pc磁芯損耗是指磁芯在工作磁感應(yīng)強(qiáng)度時的單位體積損耗。磁芯損耗包括：磁滯損耗、渦流損耗、殘留損耗。磁滯損耗是每次磁化所消耗的能量，正比于磁滯回線的面 積，如附圖1-2所示；渦流損耗是交變磁場 在磁芯中產(chǎn)生環(huán)流引起的歐姆損耗；殘留損耗 是由磁化弛豫效應(yīng)或磁性滯后效應(yīng)引起的損 耗。前兩項是磁芯損耗的主要部分。(9) 電感系數(shù)Al電感系數(shù)是磁芯上每一匝線圈產(chǎn)生的自感量，即(了PA占“附圖1 2磁滯損耗曲線式中L為磁芯線圈的自感量(單位：H)，N為線圈匝數(shù)。三、鐵氧體磁芯的基本知識燒結(jié)后的鐵氧體是由小的晶體組成,這種晶體的大小一般在1020即的范圍1.材料的磁化

10、內(nèi)，磁疇就是存在于這些晶體之中在沒有外磁場作用時，這些磁疇排列的方向是雜亂無章的，如附圖 1-3 (a) 所示，小磁疇間的磁場是相互抵銷的，對外不呈現(xiàn)磁性。當(dāng)一個外加磁場( H) 作用于該材料時，磁疇順著磁場方向轉(zhuǎn)動，加強(qiáng)了鐵氧體內(nèi)的磁場。隨著外磁場 的加強(qiáng)，轉(zhuǎn)到外磁場方向的磁疇就越來越多，與外磁場同向的磁感應(yīng)強(qiáng)度就越強(qiáng), 如附圖1-3 (b)所示。這就是說材料被磁化了。何著很強(qiáng)的影響，如磁損附圖1 3磁化過程示意在這個磁化過程中，磁疇重新排列必須克服能 量勢壘，因此，磁化總是滯后于磁場。所謂的“磁 滯回線”(見附圖1 1),就是這種現(xiàn)象的結(jié)果。 如果對磁化的抵抗并不是很強(qiáng)時，一個特定的磁 場

11、強(qiáng)度將會產(chǎn)生很大的感應(yīng)磁場，鐵氧體的磁導(dǎo) 率很高。磁滯回線的形狀對鐵氧體的其他性能有2 磁芯的形狀鐵氧體磁芯有許多不同的形狀，如附圖14所示。這些形狀各異的磁芯各有其特點，適用于制作各種磁性元件。(1) 磁環(huán)磁芯。從磁的角度而言，磁環(huán)也許是最佳選擇，因為磁環(huán)的磁路是一個封閉的形狀，因此鐵氧體的性能可以最為充分地發(fā)揮出來。 尤其是對于高 磁導(dǎo)率的鐵氧體材料，哪怕是一點點氣隙都會使得磁導(dǎo)率顯著下降。磁環(huán)主要應(yīng) 用于脈沖變壓器、磁放大器、干擾抑制線圈(共模電感)等場合。磁環(huán)在特定功 率處理能力下是最便宜的磁性元件之一，但是磁環(huán)的繞制卻是最困難的。(2) 罐型磁芯。罐型磁芯最初是為通信濾波電感而設(shè)計的

12、，磁芯幾乎包圍 了所有的線包和骨架，這種結(jié)構(gòu)很好地屏蔽了外部的電磁噪聲(EMI)。罐型磁芯的成本要高于其他形狀的磁芯，此外其散熱性能較差，所以至今還沒有適用于 大功率場合的產(chǎn)品。(3) E型磁芯。E型磁芯較罐型磁芯便宜，易于繞制，安裝方便。E型磁芯的骨架有立式和臥式兩種，立式骨架占用 PCB板面積較小但高度很大，臥式骨 架正好相反。E型成為最為常用的磁芯形狀?？梢哉fEE型磁芯和EI型磁芯具有 相同的外形，相同的尺寸，相同的骨架，僅僅在漏磁場分布存在差異，適用于制 作開關(guān)電源變壓器。(4) EC磁芯。EC磁芯介于E型與罐型之間，窗口面積較大(較罐型磁芯 而言)，有風(fēng)道，利于散熱。相同面積下圓形中

13、心柱的周長比方形中心柱省 11%， 減少了銅損，并且繞制的時候圓形要比方形方便。(5) PQ磁芯。PQ磁芯主要是為開關(guān)電源設(shè)計的，能在最小的磁心尺寸下 獲得最大的電感量和線包面積，因此這種磁芯能在最小的高度與體積情況下輸出最大的功率。(6) 其他外形磁芯(0附圖1 4常見磁芯的形狀(a)環(huán)形(b)罐型(c) EE(d) EC (e) PQ (f) EP (g) RM3 磁芯加氣隙由于鐵氧體磁芯的磁導(dǎo)率一般都很高，稍加激勵就容易產(chǎn)生磁飽和，所以在開關(guān)電源中通常通過加氣隙的辦法來降低有效磁導(dǎo)率， 使得電感能夠儲存更多的能量。電感儲能有如下關(guān)系式:1 2 BLIVe2 2%宀式中L為電感量，I為電感

14、電流，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，Ve為磁芯有效體積，P0 為真空磁導(dǎo)率，3為有效相對磁導(dǎo)率。氣隙的引入勢必增強(qiáng)電感的漏磁場分布。磁性元件的漏磁場一般可分為外部 漏磁場和內(nèi)部漏磁場，它們主要是由漏磁通路的長度和磁動勢決定的。由于內(nèi)部漏磁場穿過線圈會引起額外的渦流損耗， 而外部漏磁場能夠產(chǎn)生EMI，對附近的 元件產(chǎn)生影響，所以氣隙的引入在某種程度上惡化了電感的工作狀態(tài)。一般的說，共有五種增加氣隙的方法：第一種方法是在磁芯中間墊上一層非 磁物質(zhì)，這樣就相當(dāng)于把氣隙分為相等的兩部分， 第二種方法是通過研磨中心術(shù) 強(qiáng)行在磁路中插入氣隙；第三種方法主要是針對鐵氧體磁環(huán)而言， 由于磁環(huán)的特 殊結(jié)構(gòu)（既不能研磨又不能分

15、離）只有通過切割的辦法來插入氣隙； 第四種方法 就是常用的磁棒；第五種方法是在磁芯加工的時候完成的， 也就是常說的金屬磁 粉芯，包括鐵粉芯、鐵硅鋁、鐵鎳鉬、高磁能磁粉芯等。事實上，上述五種增加 氣隙的方法中，前三種可由設(shè)計者決定，后兩種則決定于生產(chǎn)商，設(shè)計者只是通 過相應(yīng)的數(shù)據(jù)手冊來選擇適合自已的產(chǎn)品。墊氣隙的方法將氣隙分為兩個相同但是更小的氣隙，并且每個氣隙所承受的 磁動勢近似為二分之一的總安匝數(shù)。 而研磨的方法把氣隙集中在一處，所以這種 方法漏磁場的幅值近似為墊氣隙的兩倍。 此外，由于大氣隙的緣故，它的邊緣磁 場穿過線圈的面積也越大，因此這種情況下的銅損要比墊氣隙情況下的銅損要 大。當(dāng)用銅

16、皮繞制電感的時候，這種影響就更加嚴(yán)重了，因為邊緣磁場具有很大 的垂直分量，該分量垂直于線圈軸，也就是說垂直于銅皮的表面。四、磁性元件損耗磁性元件損耗主要由兩部分組成：磁損（又叫鐵損，指磁性材料的損耗）和 銅損（指線圈中因流過電流而產(chǎn)生的損耗）。（1）磁損磁損由渦流損耗、磁滯損耗以及殘留損耗組成，三部分損耗的計算公式為Stei nm etz 方程。PCore6f 乜卩 Ze式中Cm為損耗系數(shù)，f為工作頻率，B為工作磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值，Ve為磁芯 面積，a B分別為大于1的頻率和磁感應(yīng)損耗系數(shù)。(2)銅損銅損是電流通過線圈所產(chǎn)生的損耗。在低頻場合，銅損計算是直接將電流有 效值的平方乘以線圈的直流電阻得

17、到的。 隨著頻率的提高，趨膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng) 等因素的影響變得越來越嚴(yán)重。五、高頻變壓器的設(shè)計高頻變壓器的設(shè)計，應(yīng)當(dāng)預(yù)先設(shè)定具體的電路拓?fù)?、工作頻率、輸入和輸出 電壓、輸出功率、變壓器的效率以及環(huán)境條件。通常以滿足最壞情況設(shè)計變壓器， 以保證設(shè)計的變壓器在規(guī)定的條件下都能滿意工作。不同的電路拓?fù)鋵?dǎo)致高頻變壓器磁化工作狀態(tài)不同，如推挽、半橋、全橋等功率變換器的高頻變壓器磁芯雙 向磁化，工作在磁滯回線的第一和第三象限，為雙極性工作模式；而正激、反激 變換器的高頻變壓器磁芯單向磁化， 僅工作在磁滯回線的第一象限，為單極性工 作模式。1、雙極性開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(1) 初始條件工作頻率f (Hz)開關(guān)

18、變壓器初級輸入最高、最低電壓幅值 Ulmax ( V)、Ulmin ( V)變壓器初級激勵脈沖最大持續(xù)時間tonmax ( s)(與最大占空比相關(guān))直流電源輸出電壓Uo ( V )、電流Io ( A )輸出整流電路的形式及整流二極管壓降 UD ( V )r nd n2_ 刊吁.)1 (2) 設(shè)計步驟5變壓器參數(shù)示意圖(推挽變壓器初級常為中心抽頭結(jié)構(gòu))步驟1:確定原副邊繞組匝比計算匝比首先需要計算變壓器次級輸出電壓 U2，對于直流開關(guān)穩(wěn)壓電源， 次級輸出一般接二極管全波整流電路及電感濾波電路，因此，次級輸出電壓在滿足正常輸出電壓的同時，還需要補(bǔ)償整流二極管和濾波電感的壓降，有U2Uo Ud Ul

19、(2ton 式中Uo為變換器輸出電壓，Ud為輸出整流二極管的通態(tài)壓降（對于全波整 流一般為單個二極管壓降，而橋式整流電路為兩個二極管壓降），Ul為輸出濾波 電感上的直流壓降。變壓器的匝比應(yīng)保證最低輸入電壓 Ulmin時，電路能夠保證正常輸出電壓。 對應(yīng)于橋式整流或全波整流，次級允許的最小輸出電壓為Uo Ud Ul2min(2tonmax/T)因此變壓器原副邊變比為niU 1m i nn2U 2m i n步驟2:確定高頻變壓器磁芯材料根據(jù)變壓器的工作頻率和傳輸功率，選擇合適的磁芯材料。高頻功率變壓器磁芯材料通常選用鐵氧體 R2KB。大功率鐵氧體材料性能如附表1- 1所示，其 磁芯損耗與磁感應(yīng)強(qiáng)度

20、曲線、磁芯損耗溫度特性曲線分別如附圖 1-6和附圖1 7所示。附表11大功率鐵氧體材料基本性能林料1比捋耗 累敦TJV/mT/mTIULfl. 魏華/<kW/mT)沖 x L0_fi25VJ6代1】阿0R2K”2500125%-3510170, 02Z0. 15130 25kHz90 25kHz100藥畑R2KB12300 ±25>21565】。950.0160.3600 100kHz450 100kHz410 lOOkKi<1000士歸18C24301000-0116m 15ClOmW/gRfiC&士 35%7. 95MIU690200'11. 7

21、$100幵胃交IkA/m汨升電盤f2. 52MHz1253402100.7240開絲密空嵐場23A/m10U10s wu H7r=;漫=50tJk Z=±T= 一 25kH>hire!0 50 1謹(jǐn)竝舷久（T?附圖16磁芯損耗與磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線Ttt «*L25kHj1600 M 4060 腳 100 120144)fiMrc4020QErBEUIL f遂占舞韻工杵額峯：100k】蛀10000 2ft60 AO iw 120 1*附圖1 7磁芯損耗溫度特性曲線步驟3:磁感應(yīng)強(qiáng)度B的選擇確定磁感應(yīng)強(qiáng)度B需要考慮兩個問題：當(dāng)輸入電壓達(dá)到最高時磁芯不飽和，變壓器溫升滿足要求。

22、在給定溫升條件下，當(dāng)磁芯損耗與銅線損耗相等時，開關(guān) 電源變壓器輸出功率最大。設(shè)計時初選磁感應(yīng)強(qiáng)度可根據(jù)功率 P （單位W），工 作頻率f （單位kHz），平均溫升從（單位0C），按附圖1 8查出系數(shù)Kb，然后 按下式計算工作磁感應(yīng)強(qiáng)度：B = Kb Bm式中：B為工作磁感應(yīng)強(qiáng)度（T），Kb為磁感應(yīng)強(qiáng)度系數(shù)，Bm為磁性材料最 大工作磁感應(yīng)強(qiáng)度（T ）。附圖1 8磁感應(yīng)強(qiáng)度系數(shù)步驟4:確定原邊與副邊的繞組匝數(shù)選定磁芯材料，確定磁芯最大的工作磁感應(yīng)強(qiáng)度,根據(jù)近似的面積乘積（AP）法，粗略估算、并預(yù)選一個磁芯型號4K，Bf)3Pt(cm4)式中：Ac為磁芯有效截面積（cm2）; Aw為磁芯窗口截面積（

23、cm2）; Pt為變 壓器傳輸功率（W）; AB為磁通密度變化量，雙極性變換器為 AB= 2B （T）; f 為開關(guān)工作頻率（Hz）; K為近似系數(shù)（正激、推挽中心抽頭變壓器取 K=0.014; 全橋、半橋變壓器取K=0.017）。假定變壓器的效率為n則選定磁芯后，初、次級繞組匝數(shù) ni、n2也隨之可以確定1 minonmax2B AC10一4式中：Ulmin單位為V，tonmax單位為S， B單位為T，AC單位為Cm?步驟5：確定繞組的導(dǎo)線線徑和股數(shù)在選用繞組的導(dǎo)線線徑時，要考慮導(dǎo)線的集膚效應(yīng)。所謂集膚效應(yīng)，是指當(dāng)導(dǎo)線中流過高頻交變電流時，導(dǎo)線橫截面上的電流分布不均勻，中間電流密度小、 甚至

24、無電流，邊緣部分電流密度大，使導(dǎo)線的有效導(dǎo)電面積減小，電阻增大的現(xiàn) 象。一般用穿透深度來描述導(dǎo)線的集膚效應(yīng)，所謂穿透深度,是指導(dǎo)線電流密度下降到表面電流密度的0.368 (即1尼)時的徑向深度。穿透深度 與頻率f 和導(dǎo)線物理性能的關(guān)系為式中k為導(dǎo)線材料的電導(dǎo)率溫度系數(shù)，為導(dǎo)線材料的磁導(dǎo)率，為導(dǎo)線材 料的電導(dǎo)率。對于銅質(zhì)電磁導(dǎo)線，在25cC時有：也=66(mm)Jf而在1000C時有:75(mm)為了更有效地利用導(dǎo)線，減小集膚效應(yīng)的影響，一般要求導(dǎo)線的直徑小于兩 倍的穿透深度，即d乞2厶。如果繞組的線徑大于由穿透深度所決定的最大線徑時， 需采用小線徑的導(dǎo)線多股并繞或采用銅皮來繞制，銅皮的厚度要小

25、于2倍穿透深 度。在考慮集膚效應(yīng)采用多股導(dǎo)線并繞時，初級繞組的導(dǎo)線股數(shù)Np為N1 IrmsmaxP J * SW式中I irmsmax為初級最大電流有效值；J為導(dǎo)線的電流密度，對于開關(guān)變壓器, 般取J=35A/mm2, Sw為每根導(dǎo)線的導(dǎo)電面積(mm2)。當(dāng)考慮集膚效應(yīng)采用多股導(dǎo)線并繞時，次級繞組的導(dǎo)線股數(shù)Ns為1 2rms max式中12rmsmax是副邊最大電流有效值。步驟6:核算磁芯窗口面積在計算出變壓器的初次級匝數(shù)、導(dǎo)線線徑及股數(shù)后，必須核算磁芯的窗口面 積是否能夠繞得下，或者窗口是否過大。窗口充填系數(shù)kw定義為線圈銅占有的總面積與磁芯窗口面積之比(ni Np ' n2 NS)

26、SWkw -Awkw大小與絕緣等級、環(huán)境條件和工藝結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，考慮到層間絕緣、骨 架、屏蔽以及爬電距離等因素，一般實際窗口利用率在0.250.5。如果窗口面積太小，說明磁芯太小，要選擇大一型號的磁芯；如果窗口面積過大，說明磁芯太大，可選小一型號的磁芯。重新選擇磁芯后，應(yīng)從步驟3開始計算，直到所選磁芯型號規(guī)格基本合適。2、單極性開關(guān)電源變壓器一一.正激變換器的高頻變壓器設(shè)計(1) 初始條件工作頻率f (Hz)開關(guān)變壓器初級輸入最高、最低電壓幅值U1max ( V )、U1min ( V)變壓器初級激勵脈沖最大持續(xù)時間tonmax ( S)(與最大占空比相關(guān))直流電源輸出電壓Uo ( V )、

27、電流Io ( A )輸出整流電路的形式及整流二極管壓降 UD ( V )(2) 設(shè)計步驟步驟1:確定原副邊繞組匝比計算匝比首先需要計算變壓器次級輸出電壓U2，對于直流開關(guān)穩(wěn)壓電源，次級輸出一般接二極管整流電路及電感濾波電路， 因此，次級輸出電壓在滿足正常輸出電壓的同時，還需要補(bǔ)償整流二極管和濾波電感的壓降，有U2Uo Ud Ul(ton 仃)式中Uo為變換器輸出電壓，Ud為輸出整流二極管的通態(tài)壓降（通常為半波 整流），Ul為輸出濾波電感上的直流壓降。變壓器的匝比應(yīng)保證最低輸入電壓 Ulmin時，電路能夠保證正常輸出電壓。 次級允許的最小輸出電壓為Uo Ud Ul2min(tonmax/T)因此

28、變壓器原副邊變比為niU1m i nm門2 U 2m i n步驟2:確定高頻變壓器磁芯材料該步驟與雙極性變壓器設(shè)計方法相同。步驟3:磁感應(yīng)強(qiáng)度B的選擇該步驟與雙極性變壓器設(shè)計方法相同。步驟4:確定原邊與副邊的繞組匝數(shù)。正激變換器通常在磁路中加氣隙來降低剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度和提高磁芯工作的 直流磁場強(qiáng)度，因此計算時一般仍可以按步驟3的方法確定磁感應(yīng)強(qiáng)度增量，即B = B通常，由于正激變換器的磁芯單向磁化，工作在第一象限，工作磁感應(yīng)強(qiáng)度 變化量AB也可參考下式：= Bm Br :： Bs 'Br式中Bs為磁芯的飽和磁通密度，Br為剩余磁通密度。如對于材質(zhì)為R2KB的 鐵氧體，Bs=0.51T、B

29、r=0.12T，貝U 少0.39T。參考雙極性變壓器設(shè)計步驟 4,根據(jù)近似的面積乘積（AP）法，粗略估算、并 預(yù)選一個磁芯型號，則初、次級繞組匝數(shù)n1、n2也隨之可以確定：U t1 min on max4m10B ACnnim式中 :U1min 單位為V, tonmax單位為s, B單位為T, Ac單位為cm2步驟5:確定繞組的導(dǎo)線線徑和股數(shù)該步驟與雙極性變壓器設(shè)計方法相同。步驟6:核算磁芯窗口面積該步驟與雙極性變壓器設(shè)計方法相同。需要說明的是，按以上設(shè)計的變壓器只是一種初步的樣品，變壓器的最終參數(shù)往往還需要經(jīng)過實際電路試驗后做一定的修正。六、電感和反激變壓器的設(shè)計電感是電力電子電路中的常用元

30、件，在開關(guān)電源中通常分為兩類：（1）單線圈電感：如輸出濾波電感（Buck）、升壓電感（Boost）、反激電感 （Buck-Boost）和輸入濾波電感等。（2）多線圈電感：如耦合輸出濾波電感、反激變壓器等。電感通常有兩種工作模式，電流連續(xù)模式（CCM）和電流斷續(xù)模式（DCM） 一般情況下，開關(guān)電源中的電感在電流連續(xù)模式時線圈和磁芯的交流損耗比較 小，應(yīng)盡可能選擇大的工作磁感應(yīng)強(qiáng)度以減小電感體積；而在電流斷續(xù)模式時， 磁芯和線圈的交流損耗是主要考慮因素。電感設(shè)計的磁芯選擇同樣可以采用面積法預(yù)估，當(dāng)磁芯損耗不嚴(yán)重，磁芯飽 和限制的最大磁通密度為 Bm,則面積經(jīng)驗公式為：AAwAc 珂半芋）3（cm4

31、）Bm K1當(dāng)磁芯損耗比較嚴(yán)重，損耗限制的磁通擺幅為B時的面積經(jīng)驗公式為:AP = Aw Ac =(L HflBmK2(cm4)其中，L為電感量（單位H），Isp為最大峰值電流（單位 A），Bm為飽和限制 的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度（單位T） , AI為初級電流增量（單位A），ABm為最大磁感應(yīng) 強(qiáng)度增量（單位T），Ifl初級滿載電流有效值（A）。K1、K2為校正系數(shù)，有K1, K2 =Jmkiw 10式中：Jm為最大電流密度(單位A/cm2), kiw為初級銅面積/窗口面積，其系 數(shù)如附表1-2所示。附表1 2 Ki、K2及kiw與電感類型的關(guān)系應(yīng)用k1WK1K2單線圈電感0.70.030.021多線

32、圈電感0.650.0270.019Buck/Boost 電感0.30.0130.009反激變壓器0.20.00850.0061、電感設(shè)計(1) 初始條件電感量L (單位H)流過電感最大峰值電流Isp(A)流過電感最大有效值電流I rmsm(A)電感電流最大紋波峰峰值 Alm(A)(2) 設(shè)計步驟步驟1:依據(jù)電路工作頻率和使用場合，選擇合適的磁芯材料步驟2：選擇磁芯的最大工作磁感應(yīng)強(qiáng)度 Bm,確定最大工作磁感應(yīng)強(qiáng)度增量ABmSPBm步驟3:確定電感設(shè)計屬于損耗限制還是飽和限制以05>Bm和紋波頻率配合，查附圖 1 6,求得磁芯比損耗。如果比損耗遠(yuǎn) 小于0.1W/cm3,則磁芯受飽和限制，可

33、以直接選用設(shè)定的Bm和由此得到的ABm ； 如果比損耗遠(yuǎn)大于0.1W/cm3,則磁芯受損耗限制，必須減小ABm，可以參考附圖1 6重新確定ABm并重新估算實際的Bm。步驟4:選擇損耗限制或飽和限制的面積法經(jīng)驗公式，初選磁芯步驟5:計算電感線圈匝數(shù)nn 10,-Bm AC式中：L單位為H, Aim單位為A，ABm單位為T，Ac單位為cm2步驟6:確定電感氣隙S對應(yīng)電感實際工作時的最大工作磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm，有103 Bm(mm)式中：Isp為A，丄0 =4二10 JH/m，Bm單位為T步驟7:計算繞組的線徑和股數(shù)。輸出濾波電感電流最大有效值為Irmsm，取電流密度為J，則繞組的導(dǎo)電面積I rmsmSw -J式中：Sw的單位為mm2，電流密度一般取J=35A/mm2。由于輸出濾波電感電流主要是直流分量，交流分量較小，因此集膚效應(yīng)影響 不是很大，可以選用線徑較大的導(dǎo)線或扁銅線來繞制 ，只要保證足夠的導(dǎo)電面積就行。步驟&核算磁芯窗口面積與變壓器的設(shè)計一樣，也要核算磁芯窗口的面積是否合適。要經(jīng)過多次反復(fù)計算，直到選擇合適的磁芯。2、單極性開關(guān)電源變壓器.反激變換器的高頻變壓器設(shè)計式(CCM)和電流斷續(xù)模式(DCM )。續(xù)模式的反激式電源變壓器設(shè)計方法,對