開關電源高級培訓研討會(磁性元件培訓教材)

1、硬件部 申大力 2011.3.10 幾乎在說有的電源電路中,都要用到電磁元件(電感或變壓器),例如:通信電源中的主變壓器、PFC電感、LLC電感、輸出濾波電感、輔助源反激變壓器等?？梢哉f磁性元件是電力電子技術重要組成部分之一。 磁性元件與其它電氣元器件不同，很難從市場上采購到符合自己的要求的電感和變壓器，都需要設計者自己設計。而磁性元件的分析和設計要比電路設計復雜的多，要直接得到唯一的答案是困難的，因為要涉及到許多因素，比如體積、成本、效率。正確的設計不只是一般電氣參數(shù)的計算，還包含了結構、工藝和散熱設計等。 即使對于輸入、輸出規(guī)格相同的開關變換器，不同人設計的磁性元件參數(shù)各不相同，但都能可靠

2、個工作。 1.磁的基本概念2.電磁基本定律3.器件主要參數(shù)-磁材4.磁性元件設計鐵氧體磁芯 均勻氣隙的粉芯 非晶類磁材 電磁元件骨架 組成磁性元件的基本部件是磁心，而組成磁心的基本材料是磁性材料。物質按磁性分類1 抗磁性2 順磁性3 鐵磁性4 亞鐵磁性5 反鐵磁性強磁材料分類1 軟磁2 硬磁3 旋磁4 矩磁5 壓磁 磁性材料是一種鐵磁物質，該物質在外加磁場中會表現(xiàn)為一種鐵磁特性，當磁場撤消后，該物質又恢復為常態(tài)而無磁性。 1. 飽和磁感應強度Bs 隨磁芯中磁場強度的增加，磁感應強度B出現(xiàn)飽和時的值，稱為飽和磁感應強度Bs。 Bs=H 2. 剩余磁感應強度Br 磁芯從飽和狀態(tài)去除磁場后，即H=0

3、時鐵芯仍有剩余的磁感應強度稱為剩磁感應強度。 3 矯頑力Hc 磁芯從飽和狀態(tài)去除磁場后，繼續(xù)反向磁化，直至磁感應強度減小到零，此時的磁場強度稱為矯頑力Hc。BH磁滯回線圖 (基本磁芯曲線) -代表磁材的主要磁性能4. 起始磁導率i、振幅磁導率a、增量磁導率D和有效磁導率e 磁導率定義為磁感應強度B與磁場強度H的比值 =B/0H i i -當交流磁場的振幅趨近于零時所得到的磁導率稱為起始磁導率； a a-如果交變磁場的振幅比較大，所得到的磁導率稱為振幅磁導率(變壓器的工作狀態(tài)) ； D D-在直流偏磁場上疊加一振幅較小的交變磁場作用下，交變磁場分量沿局部磁滯回線變化，此局部磁滯回線的斜率與1/0

4、的乘積稱為增量磁導率(濾波電感器的工作狀態(tài))； e e-含有氣隙的磁芯的磁導率稱為有效磁導率; 真空磁導率為0=4*10-7， 磁芯單匝電感量值Al= e 0 Ae/l (mH/N2)-A/l單位為mm5. 居里溫度Tc 磁芯由鐵磁性(亞鐵磁性或反鐵磁性)轉變成順磁性的溫度稱為居里溫度。在T曲線上，80%max與20%max連線與=1的交叉點相對應的溫度，即為居里溫度Tc。6. 磁致伸縮 磁性體磁化狀態(tài)的變化引起其形狀、尺寸改變的現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應。在開關電源中磁致伸縮效應容易引起磁芯的機械共振，從而導致機械噪聲和電磁噪聲，可通過點膠固定、浸漆、工作頻率增高等方法降低。7. 磁心損耗 磁性材

5、料的損耗Pc由磁滯損耗Ph、渦流損耗Pe和剩余損耗Pr組成。 磁滯損耗是磁化所消耗的能量，正比于靜態(tài)磁滯回線和磁心的體積 渦流損耗是交變磁場在磁心中產(chǎn)生環(huán)流引起的歐姆損耗 剩余損耗是總損耗中除去渦流損耗和磁滯損耗之后所剩余的損耗。在低頻或弱磁場中，剩余損耗主要是磁后效損耗；在較高或高頻情況下，剩余損耗主要有尺寸共振損耗，疇壁共振損耗，自然共振損耗。 磁心損耗與頻率和磁通密度有關，在低頻時，總損耗主要由磁滯損耗和渦流損耗構成， Pe=(5%10%)Ph，剩余損耗可以忽略。高頻時（200-300K），總損耗可近似為剩余損耗和渦流損耗。 計算磁芯損耗通過廠家提供的數(shù)據(jù)計算 磁場與磁感應強度的換算公式

6、(國際單位制和實用單位制) 磁場強度 1奧斯特(Oe)=79.577A/m80A/m A/m:國際單位 Oe: 實用單位 磁感應強度 B的單位在國際單位制中是特斯拉(Tesla)，簡稱特，代號為T。在實 用電磁單位制中為高斯，簡稱高，代號為Gs。兩者的關系為 1特斯拉(T)=1韋伯/米2 (1Wb/m2)=104高斯(Gauss) 1mT=10Gauss 磁通1Wb = 108 Mx 1韋伯(國際單位) = 108麥克斯韋(實用單位)電磁定律電磁定律 線圈的匝數(shù)設為N，螺線管平均長度為l，線圈通入電流為I 安培環(huán)路定律安培環(huán)路定律 法拉第電磁感應定律法拉第電磁感應定律 電感電感L L 在開關電

7、源中，常用的軟磁材料有鐵氧體、磁粉芯、非晶態(tài)合金及超微晶合金等。 軟磁材料要求： 1、磁導率高 2、要求具有很小的矯頑力Hc 和狹窄的磁滯回線 3、電阻率要高 4、具有較高的飽和磁感應強度Bs 鐵氧體是深灰色或黑色陶瓷材料，質地既硬又脆，化學穩(wěn)定性好。鐵氧體成分一般是氧化鐵和其它金屬組成MeFe2O3。其中Me 表示一種或幾種2 價過渡金屬，如錳和鋅(MnZn) ，或鎳和鋅(NiZn)。 MnZn又分為高磁導率磁芯和功率磁芯。高磁導率磁芯主要用于共模電感，要求磁芯在頻率低端有盡量高的磁導率實部（即盡量高的電感量）,同時在高頻段要求磁芯的頻率特性好，即磁芯的截止頻率盡量高。而功率磁芯主要用于高頻

8、變壓器和輸入輸出電感。 NiZn鐵氧體磁芯基本屬于絕緣材料，電阻率較高，因此，渦流損耗小，適于用在工字形電感以及高頻寬帶電感中，同時，損耗型NiZn廣泛用在電磁兼容對策（EMC對策)中作為吸收式濾波器使用。 鐵氧體材料的主要形狀 E、EI、EC、P、T、EP、PQ、RM 磁芯材質的選型方案 我們目前通用的材質，以TDK的磁材作為代表(以相當材質)， PC40、PC44、PC5 對應的廠家分別型號 FDK 6H20 7H10 TDG(天通) TP4、TP4A(TP4S) Siemens N67、N8 Philps 3C90、3F3 TOKIN 2500B2 金寧三環(huán) JP4A 新康達 LP3 磁

9、粉芯是由顆粒直徑很?。?.55mm）的鐵磁性粉粒與絕緣介質混合壓制而成的磁芯，一般為環(huán)形，也有壓制成E形的。磁粉芯的電磁特性取決于金屬粉粒材料的導磁率、粉粒的大小與形狀、填充系數(shù)、絕緣介質的含量、成型壓力、熱處理工藝等。 磁粉芯主要用于電感鐵芯，由于金屬軟磁粉末被絕緣材料包圍，形成分散氣隙，大大降低了金屬軟磁材料的高頻渦流損耗，使磁粉芯具有抗飽和特性與寬頻響應特性，特別適用于制作諧振電感、功率因數(shù)校正電感、輸出濾波電感、EMI濾波器電感等。常用磁粉芯主要有 鐵粉芯 鐵硅鋁粉芯 高磁通量（High Flux）粉芯 坡莫合金粉芯（MPP）磁粉芯主要形狀 環(huán)型、E型鐵粉芯 構成：碳基鐵磁粉及樹脂碳基

10、鐵磁粉。 使用注意要點：在高于75的大功率應用中，由于有機成分的老化而引起電感和品質因數(shù)的永久性降低，降低的程度取決于時間、溫度、磁芯大小、頻率和工作磁通密度， 主要用途：各種電源的輸入、輸出濾波電感、功率因數(shù)校正器等，使用頻率可達100kHz。鐵硅鋁粉芯 典型成：9%Al、55Si、85%Fe。 特點：由于在純鐵中加入了硅和鋁，使材料的磁滯伸縮系數(shù)接近零，降低了材料將電磁能轉化為機械能的能力，同時也降低了材料的損耗，使鐵硅鋁粉芯的損耗比鐵粉芯的損耗低。比鐵粉芯具有更強的抗直流偏磁能力。由于不含有機成分，鐵硅鋁粉芯不存在老化問題，工作溫度可達200，鐵硅鋁粉芯的飽和磁感應強度在1.05T左右

11、磁導率：26、60、75、90、125。 高磁通量（High Flux）粉芯 成分：50%Ni、50%Fe 飽和磁感應強度:1.4T左右 磁導率有14、26、60、125、147、160 特點：是磁粉芯中具有最強抗直流偏磁能力的材料，磁芯損耗與鐵粉芯相近，比鐵硅鋁大許多。 用途：主要用在高DC偏壓、大直流電和低頻交流電路中，也用于線路濾波器、交流電感、輸出電感、功率因數(shù)校正電感等。 鉬坡莫合金粉芯MPP 成分：81%Ni、2%Mo、19%Fe 飽和磁感應強度：約為0.75T 磁導率：14、26、60、125、147、160、173、200、300、550 特點：磁滯伸縮系數(shù)接近零，溫度穩(wěn)定性極

12、佳，磁芯損耗低，抗直流偏磁能力僅次于鐵硅鋁粉芯，但價格最貴 用途：主要用于高品質因數(shù)濾波器（300kHz以下）、感應負載線圈、諧振電路、對溫度穩(wěn)定性要求高的LC電路、輸出濾波電感、功率因數(shù)補償電感等。 電感磁芯損耗比較（設鐵氧體的損耗為1）頻率 10kHz 100kHz 500kHz 1MHzMPP粉芯 2 5 9 12鐵硅鋁粉芯 2 9 18 20非晶態(tài)合金薄帶 2 15 25 25HF粉芯 5 15 40 40鐵粉芯 20-40 20-60 25-100 13-21 定義：非晶態(tài)合金的原子排列長程無序、短程有序、無晶粒、晶界。非晶態(tài)合金的結構與玻璃結構相似，也稱為金屬玻璃。 性能：有優(yōu)異的

13、軟磁性能，機械強度高、硬度高、韌性好、耐腐蝕、耐磨性好，電阻率較高。 常用的非晶態(tài)合金有鐵基、鐵鎳基、鈷基合金三大類。鐵基非晶態(tài)合金特點：飽和磁感應強度高，磁導率、勵磁電流和鐵損等方面都優(yōu)于硅鋼片，替代硅鋼做配電變壓器可節(jié)能60%-70%。應用：配電變壓器、大功率開關電源、脈沖變壓器、磁放大器、中頻變壓器及逆變器，適合于10kHz頻率使用。 鐵鎳基非晶態(tài)合金特點：中等飽和磁感應強度（ 0.8T），較高的初始磁導率和最大磁導率，高的機械強度和優(yōu)良的韌性，在中低頻率下鐵損低，經(jīng)磁場退火后可得到很好的矩形回線。應用；替代1J79，廣泛用于漏電開關、精密電流互感器、磁屏蔽等。鈷基非晶態(tài)合金特點：飽和磁

14、感應強度為0.5T-0.8T,飽和磁致伸縮系數(shù)為零，對應力不敏感，初始磁導率高（10kHz，100k以上）和最大磁導率（100萬），矯頑力低，高頻損耗低，機械強度高、韌性好、耐磨性好，價格高。應用：開關電源 、磁放大器、脈沖變壓器、磁頭、磁屏蔽、傳感器等。 超微晶 非晶態(tài)材料經(jīng)過熱處理后獲得直徑為10-20納米的微晶，稱為超微晶或納米晶材料。鐵基超微晶合金（FeNbCuSiB合金）具有優(yōu)異的綜合磁性能，磁感應強度為1.2T ，初始磁導率為80000，矯頑力為0.32A/m，電阻率為80微歐厘米。 適用頻率：50Hz-100kHz，最佳頻率；20kHz-50kHz。按開關電源應用分類-按工作位置

15、分類 1. 變壓器(包括輔助電源變壓器) 2. 共模電感器(輸入級、輸出級、信號級) 3.濾波電感器(輸入差模、輸出差模) 4. PFC電感器 5、諧振電感器、互感器、驅動變壓器、磁放大器、尖峰信號抑制用磁珠 設計磁性器件包括三個步驟： 1、正確選擇磁性材料 2、合理確定磁芯的形狀和尺寸 3、根據(jù)磁性參數(shù)要求得到電氣參數(shù) 浸漆的作用是什么呢? 答:浸漆作用是“三防”，即防塵、防腐、防潮。目前主要用的是環(huán)氧 樹脂漆。 為什么可以做到不浸漆? 答:原因是1.器件需要三防處理要求降低(包括：器件發(fā)熱，在風的作 用下，防塵效果提高等)，2.利于器件散熱需要。 什么條件下的器件需要浸漆，或不需要浸漆?主

16、要目的又是什么? 答: 在交變磁場較大的條件下，例如-輸入差模電感器、諧振電感器 PFC電感器等。 主要目的是防止器件繞組線匝間短路與噪聲問題。202eecrB L AE 202gegB L AE反激變換器的氣隙問題現(xiàn)在我們假設存在氣隙,則存儲在磁芯中的能量:存儲在氣隙中的能量:真空磁導率相對磁導率Lg 氣隙長度反激變換器的能量究竟是存在氣隙里還是磁芯里?ergcgLLEE磁芯存儲能量氣隙存儲能量0r單端反激型開關電源工作波形圖 以下的參數(shù)計算均基于此圖的波形進行理論計算以下的參數(shù)計算均基于此圖的波形進行理論計算。 變壓器原邊電感存儲的功率公式PL變壓器原邊電感存儲的功率（變壓器原邊電感存儲的

17、功率（W）L變壓器原邊電感量（變壓器原邊電感量（H）f電源開關頻率（電源開關頻率（Hz）Ip變壓器原邊電流峰值（變壓器原邊電流峰值（A）Ton開關管導通時間（開關管導通時間（s）UL開關管導通時，加在變壓器原邊電感兩端的電壓（開關管導通時，加在變壓器原邊電感兩端的電壓（V），），若忽略開關管的導通壓降若忽略開關管的導通壓降，則，則UL=Uin。1、確定輸入電壓范圍、電路輸出指標、輸出功率、電源開關頻率、變壓器效率、最大輸入占空比2、選擇磁芯和骨架3、計算原邊電流峰值、原邊電感、原邊匝數(shù)4、確定匝比、副邊匝數(shù)5、計算原邊、副邊電流有效值（1）平均值 （2）最大值 max12DUIUIinouto

18、utpkwepkpBAILN111pkoninpITUL1(max)(min)1)1 (maxmax(min)DUDUNoutin2121NNUUNTUTUoffoutonin（3）有效值6、確定原邊、副邊線徑大小7、確定氣隙8、確定繞法9、計算損耗jISRMSSD410.安規(guī)控制要求 安規(guī)距離的控制部份(按工作電壓與絕緣強度劃分) 1 原副邊爬電距離 2 磁芯與副邊之間的空間與爬電距離 3 磁芯與PCB板空間距離 4 原副邊、原邊與磁芯、副邊與磁芯電氣強度 安規(guī)清單 安規(guī)工藝 1 耐熱絕緣等級 1 繞組不應超出檔空控制區(qū)域 2 清單中的絕緣材料UL安規(guī)信息 2 繞組套管要伸入檔空至繞組部不合

19、符安規(guī)工藝要求的實例共模電感器(輸入級、輸出級、信號級) 共模電感器是抑制傳導干擾共模噪聲的主要器件，它是利用同相位的二個繞組繞制在同一磁芯上，在共模噪聲通過時，二繞組的磁通相互增加(振幅磁導率)，繞組阻抗(電感量)增大，從而起到抑制共模噪聲的效果。(LI=N) 按轉折頻率fR進行電感量計算(fR=1/2*(LCMCY)1/2)。共模用磁芯材質MnZn R5K、R7K、R10KNiZn T5(1000ui)、T6(2000ui)非晶 Fe基超微晶例:500F(VAC)1.影響共模電感器性能因素： 繞制結構無論多么對稱繞制，差模分量仍存在； 磁材性能居里溫度低，工作磁密變化大； (鐵氧體:200

20、mT 100, Fe基非晶:200)2.繞制結構方案 3.磁材性能控制方案 鐵氧體: 最高工作溫度130 Fe基超微晶: 最高工作溫度105 (外殼的溫度影響) 對稱性，差模分量10K(50Hz100kHz) (繞制時層數(shù)越少，匝間電容就越少，工作頻率也就越寬； 二繞組并繞更能降低差模分量，抗干擾效果更好； 線材使用PEW，針孔更少，機械強度更大，有效防止繞制出現(xiàn)的匝間短路。) 由于國內(nèi)的材料在高頻拐點后下降快，所以我們需要在承認書增加對高頻電感量的測試，以起到材料控制的用途。 MnZn：100kHz(10K材質)；200kHz(5K、7K材質)； 400kHz(2K材質)作為控制關鍵指標，合

21、格判定要求：電感量L:1kHz條件下電感量最小值65%70%； NiZn: 1MHz測試點作為控制關鍵指標，合格判定要求： 電感量L:1kHz條件下電感量最小值70%80%； 5.共模電感器的損耗 主要以銅損為主，溫升的估算公式(自然冷): dT=PCu/Aw0.833； dT:溫升(); Pcu:銅損(mW); Aw:繞組表面積(cm2) PFC電感器 使用于功率因數(shù)校正器(PFC)中的電感器。輸入電流被PWM調(diào)制后，通過PFC電感器及控制，使原來呈脈沖狀的波形，調(diào)制成接近正弦波(含有高頻紋波)的波形。用于PFC電感器的磁芯材料 MnZn功率鐵氧體PC40(或相當材質) FeSiAl Super-MSS、Kool M、 SA-60、DF-60(FeSi) MPP High Flux(HF)1.影響PFC電感器性能因素： 電感量在電流下的跌落- 跌落越大，正弦波形就越畸變，磁芯損耗也就越大； 磁材-磁材的自身單位損耗越大，器件的溫升就越高；2.磁芯損耗分析 在同等粉芯材料下，顆粒越小，磁材的有效磁導率就越低，損耗也就越低； 工作頻率越高，粉芯磁材的損耗也就高；dB越大，損耗就越大； 不同粉芯材料，相同條件下的損耗也有很大差異3.電感量的計算 L=1.414*Vmin*D/(f*dI) Vmin:輸入電壓最小值(V