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1、磁性元器件的设计细节 金威源产品开发部 郝建国 2008年07月 目录 郝建国 1：磁性材料简介 - - 2 2：磁性元器件的损耗分析 - - 20 3：磁性元器件寄生参数的影响 - - 46 4：变压器与电感器的设计要点 - - 64 5：特殊磁性元件的设计 - - 80 1：磁性材料简介 郝建国 1.1：铁氧体是指三氧化二铁与另外的金属氧化物的化合物， 其分子式是MO.Fe2O3，M泛指锰（Mn）/ 镍（Ni）/ 锌（ Zn）等二价金属离子。 晶体结构：铁氧体的晶体是由氧的主晶格和在主晶格空隙间的 金属离子次晶格构成。 尖晶石结构：开关电源变压器使用的铁氧体主要是锰锌铁氧 体，其晶体是尖晶
2、石结构，尖晶石结构是由正四面体和正八面体 构成。 1：磁性材料简介 郝建国 AB位：正四面体中的次晶格位置简称为A位，正八面体的次晶 格位置简称为B位。A位和B位的金属离子之间的相互交换作用导 致A位和B位金属离子的磁矩是反向平行的，A位和A位的金属离 子之间的相互交换作用导致A位和A位金属离子的磁矩是平行的， B位和B位的金属离子的磁矩也是平行的，铁氧体晶体合成磁矩就 是A位和B位的金属离子总磁矩之差。 亚铁磁性：基于上述的分析，铁氧 体的饱和磁化强度要远远低于铁磁材料 （铁磁材料的晶体结构是体心立方体等 立方系结构，各个位置的金属离子磁矩 都是平行的，见右图），但铁氧体的电 阻率远远高于铁
3、磁材料几个数量等级， 所以铁氧体被称为亚铁磁性材料。 磁畴：理想条件下，氧化铁是单晶体，但受到晶格的错位、空 孔等缺欠与杂质的影响，氧化铁只能是由无数个尺寸很小的单晶体 组合而成的多晶体，每个单晶体的合成磁矩方向是各不相同的、是 随机分布的。 单晶体由金属离子间的相互交换作用而产生的合成磁矩因受磁 场能量最小化的制约，每个单晶体的合成磁矩会被进一步划分为无 数个合成磁矩方向反平行的微小区域，这样的微小区域我们称为磁 畴。 1：磁性材料简介 郝建国 1：磁性材料简介 郝建国 晶界：因错位、空孔 、杂质而形成的单晶体 之间的界限称为晶界， 见右图。 畴壁：因能量最小化而形 成的、磁畴与磁畴之间的隔
4、 离带称为畴壁，见左图。 1：磁性材料简介 郝建国 1.2：饱和磁化是指励磁磁场强度H从0而开始，逐渐加大到铁 氧体饱和状态为止(Hm)，此时对应的铁氧体磁感应强度曲 线称为初始磁化曲线。然后逐渐减小，再反向加大，直到铁 氧体反向饱和状态(-Hm)，周而复始的在Hm与-Hm之间变 化，对应的铁氧体磁感应强度曲线称为饱和磁滞回线。 1：磁性材料简介 郝建国 局部磁化一：变压器磁芯的局部磁化曲线，特点是磁化 曲线起点在剩磁点。如正激拓扑、RCD磁复位时的 磁滞回线。 1：磁性材料简介 郝建国 局部磁化二：变压器磁芯的局部磁化曲线，特点是有 反向去磁导致磁化曲线起点小于对应的剩磁点。如 正激拓扑（有
5、源去磁）、半桥等的磁滞回线。 1：磁性材料简介 郝建国 局部磁化三：电感磁芯的局部磁化曲线。特点是具有 偏磁的直流存在。如正激拓扑（CCM）输出电感的 磁滞回线。 1：磁性材料简介 郝建国 磁化过程：磁化的过程就是磁畴的转动和畴壁的位移， 而且纠缠在一起的，但为了简化分析，我们通常只 进行单一因素的磁化过程分析。 磁畴转动：指磁畴的合成磁矩方向在 外磁场的作用下，其方向转向外磁场 的方向。 如果去掉外磁场，磁畴的合成磁矩方 向恢复到原来方向的转动称为可逆转 动。 去掉外磁场后磁畴的合成磁矩方向不 恢复的转动称为不可转动。 实际上，去掉外磁场后磁畴的合成磁 矩方向能恢复但不能恢复到原来方向 ，这
6、种情况就是可逆位移与不可逆位 移的组合。 1：磁性材料简介 郝建国 畴壁位移：指磁畴的畴壁在外磁 场的作用下，沿在外磁场的方向 移动。 如果去掉外磁场，畴壁就能恢复 到原位置的移动称为可逆磁化。 去掉外磁场后畴壁不恢复的移动 称为不可逆磁化。 实际上，去掉外磁场后畴壁能恢 复但不能恢复到原位置，这种情 况就是可逆位移与不可逆位移的 组合。 1：磁性材料简介 郝建国 1.3：磁导率：分为绝对磁导率和相对 磁导率。 绝对磁导率：描述介质磁化特性的物理量，定义为介质 中磁感应强度与磁场强度的比值。 真空磁导率 o =Bo/Ho，4x10-7H/m。 铁氧体的磁导率（PC40） F=BF/HF，0.9
7、2x10- 3H/m。 相对磁导率：也是描述介质磁化特性的、但无量纲的 物理量，定义为介质的绝对磁导率与真空的绝对磁导率的 比值。 铁氧体的磁导率（PC40） r= F/ o，2300。 我们今后讲到磁导率，除非有特定的说明，否 则都是相对磁导率。 1：磁性材料简介 郝建国 初始磁导率：励磁磁场强度H 0时的磁导率称为初始 磁导率。 氧体参数表中给出的磁导率就是初始磁导 率i ，如i =2300就是PC40材质的初始磁导率。 最大磁导率：进行初 始磁化时，其磁导率会随励磁 磁场强度H的变化，当励磁磁场 强度在H1时，磁导率达到最大 值m，称m为最大磁导率。 最大磁导率m与初始 磁导率i 之间的
8、差异越小，说明 磁化过程的线性度越好，我们当 然希望磁化是完全线性的，即磁 导率是恒定值。 1：磁性材料简介 郝建国 增量磁导率：在一个直流磁场上叠加一个交流磁场时 ，交流分量所对应磁导率就称为增量磁导率。 因为磁化过程是非线性 的，故增量磁导率会随直流磁场 的不同而不同，大可以大过m， 小又可以小到“0”。 交流磁场的大小也会影 响增量磁导率，但影响比较小。 当交流磁场小到一定范围内时，增 量磁导率 不再受交流磁场的变 化影响，其原因是交流磁场的磁化 基本是线性的可逆磁化。 1：磁性材料简介 郝建国 有效磁导率：在磁芯中开一个比较小的气隙后，因退磁 效应，磁芯中的磁感应强度降低，其磁导率也随
9、之而来下降，下降 后的磁导率就称为有效磁导率e。 注释 ：退磁效应 为气隙长度，l c 为磁路的有效长度。 1：磁性材料简介 郝建国 锰锌铁氧体：铁氧体中的金属氧化物是MnO和ZnO， 是一种高Bs低功耗的铁氧体，它在1MHz以下频段范围内具有良 好的磁性能，所以开关电源中的功率变压器、电感的磁芯都使用 这种锰锌铁氧体。 根据初始磁导率i的不同、功率损耗等参数划分为不同 的型号，如PC30、PC40等。 1.4：软磁材料：软磁材料具有四个特点：一、高磁导率， 二、狭窄的磁滞回线，三、高电阻率，四、高饱和磁感应强度。 只有具备了这样的四个特性，才能在高频的交变磁场下工作，但 实际上还没有那种磁性
10、材料具备上述四个特性，因此在综合了工 作环境、产品价格等因素后，在开关电源磁性元件一般就选用功 率铁氧体、磁粉芯、坡莫合金、非晶态合金、微晶合金等作为其 磁芯。 1：磁性材料简介 郝建国 铁粉芯：四氧化三铁磁粉或碳基铁磁粉与树脂绝缘介质 充分混合后压制而成的环型磁芯，饱和磁感应强度值高达1.3T，但 50kHz时的磁损较大，磁导率i会随频率与叠加的直流磁场强度 而变化，故一般用于输入端的EMI电感。 根据初始磁导率i、尺寸的不同划分为不同的型号，并 用红、黄、绿、蓝、灰、白等颜色的组合予以标示。 镍锌铁氧体：铁氧体中的金属氧化物是NiO和ZnO，是 一种高频特性更好的铁氧体，在100kHz10
11、0MHz频段内具有良 好的磁性能，但其低频特性不如锰锌铁氧体，故主要用于高频变 压器、工字电感、磁珠等。 根据初始磁导率i 的不同划分为不同的型号，如SR10、 SR60等（中山东晨）。 1：磁性材料简介 郝建国 其它磁性材料：铁镍磁粉芯，特点是饱和磁感应强度值 高达1.4T，所以也称为高磁通量粉芯。 钼坡莫合金粉芯（MPP），与其它磁粉芯相比，具有最 低的磁芯损耗。 坡莫合金/非晶态合金/微晶合金，特点是具有极高的磁导 率。 铁硅铝：在Al和Fe合金中渗入Si后，将其粉末压铸而 成的环型磁芯。具有高饱和磁感应强度Bs、磁导率i（因为Fe） ，低损耗、高电阻率（因为Si ），抗氧化和耐腐蚀性较
12、好（因为 Al ）。 铁硅铝的构成：Fe占85%， Si占9%， Al占6%。 铁硅铝的饱和磁感应强度大约在1.0T，相比于铁粉芯， 其高频磁损较小，磁导率i也不会随频率而变，但仍会随叠加的 直流磁场强度而变化。 初始磁导率i、尺寸的不同等等，划分很多个不同的型 号，详见公司的铁硅铝磁粉芯主要技术指标及型号对照表。 2：磁性元器件的损耗分析 郝建国 2.1：损耗构成：磁性元器件的损耗是由磁芯损耗（铁损）和 绕组损耗（铜损）构成的，并以热的形式散放损耗的能量，使磁 芯和绕组的温度上升。如果磁芯温度过度的上升，会大大降了饱 和磁感应强度，有可能使磁芯饱和，烧毁开关管等元器件。绕组 的温度上升，会增
13、大其直交流的阻值，反过来又增大了绕组的损 耗，直至热平衡为止。 磁性元件的总损耗最小是衡量磁 性元件的指标之一，要在一定温生的条件下 ，传输最大的功率，这是功率磁性元件的设 计准则。 在左图中可以看出，磁芯损耗Pw 和绕组损耗Pc都是非线性（近似指数规律） 变化趋势，在铁损等于铜损时，总损耗最小 。但铁损等于铜损点很难准确控制，当两者 有2030%的差异时，总损耗也还是处于最 小区域，所以，两者有小于30%的差异是比 较现实的目标。 2：磁性元器件的损耗分析 郝建国 磁滞损耗：从前述分分析中，我们得知磁芯磁化时，有 可逆磁化和不可逆磁化之分，对不可逆部分进行磁化时要损耗一 部份能量，这部分能量
14、称为磁滞损耗。 磁滞损耗的定量计算是不可能的，但我们可以用磁滞回 线的面积S予以表示，磁滞回线的面积大，则磁滞损耗也大。从 磁滞回线的面积S与B的关系可以看出，S随B的增大而增加， 且近似于指数级的增加。 磁滞回线面积S表述的是一次磁化过程的磁滞损耗，开 关频率是100kHz时，磁滞损耗会乘以105。所以磁滞损耗随开关 频率的增加而线性增加。 磁滞损耗可以用磁滞回线面积予以表示，磁化过程传 输的能量用哪部分面积表示？ 2.2：磁芯损耗：磁芯损耗也称为铁损，一般包括磁滞损耗 ，涡流损耗和剩余损耗，再进一步化分，剩余损耗包括后效损耗 、自旋弛豫磁磁共振损耗、尺寸共振损耗等等。 2：磁性元器件的损耗分析 郝建国 磁趋肤效应：涡流使铁氧体磁芯中的磁通趋于沿磁芯的 表面流动，会有什么不良影响？ 涡流损耗：铁氧体磁芯磁化时，磁芯中的
