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1、开关电源磁性元件指导培训教材 几乎在说有的电源电路中 都要用到电磁元件 电感或变压器 例如 通信电源中的主变压器 PFC电感 LLC电感 输出滤波电感 辅助源反激变压器等 可以说磁性元件是电力电子技术重要组成部分之一 磁性元件与其它电气元器件不同 很难从市场上采购到符合自己的要求的电感和变压器 都需要设计者自己设计 而磁性元件的分析和设计要比电路设计复杂的多 要直接得到唯一的答案是困难的 因为要涉及到许多因素 比如体积 成本 效率 正确的设计不只是一般电气参数的计算 还包含了结构 工艺和散热设计等 即使对于输入 输出规格相同的开关变换器 不同人设计的磁性元件参数各不相同 但都能可靠个工作 前言
2、 1 磁的基本概念2 电磁基本定律3 器件主要参数 磁材4 磁性元件设计 内容提纲 基本概念 铁氧体磁芯 均匀气隙的粉芯 非晶类磁材 电磁元件骨架 组成磁性元件的基本部件是磁心 而组成磁心的基本材料是磁性材料 物质按磁性分类1抗磁性2顺磁性3铁磁性4亚铁磁性5反铁磁性 磁性材料的分类 强磁材料分类1软磁2硬磁3旋磁4矩磁5压磁 磁性材料的分类 1 磁的基本定义 磁性材料是一种铁磁物质 该物质在外加磁场中会表现为一种铁磁特性 当磁场撤消后 该物质又恢复为常态而无磁性 1 饱和磁感应强度Bs随磁芯中磁场强度的增加 磁感应强度B出现饱和时的值 称为饱和磁感应强度Bs Bs H2 剩余磁感应强度Br磁
3、芯从饱和状态去除磁场后 即H 0时铁芯仍有剩余的磁感应强度称为剩磁感应强度 3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Hc B H磁滞回线图 基本磁芯曲线 代表磁材的主要磁性能 1 磁的基本定义 4 起始磁导率 i 振幅磁导率 a 增量磁导率 D和有效磁导率 e 1 磁的基本定义 磁导率定义为磁感应强度B与磁场强度H的比值 B 0H i 当交流磁场的振幅趋近于零时所得到的磁导率称为起始磁导率 a 如果交变磁场的振幅比较大 所得到的磁导率称为振幅磁导率 变压器的工作状态 D 在直流偏磁场上叠加一振幅较小的交变磁场作用下 交变磁场分量沿局部
4、磁滞回线变化 此局部磁滞回线的斜率与1 0的乘积称为增量磁导率 滤波电感器的工作状态 e 含有气隙的磁芯的磁导率称为有效磁导率 真空磁导率为 0 4 10 7 磁芯单匝电感量值Al e 0Ae l mH N2 A l单位为mm 1 磁的基本定义 5 居里温度Tc磁芯由铁磁性 亚铁磁性或反铁磁性 转变成顺磁性的温度称为居里温度 在 T曲线上 80 max与20 max连线与 1的交叉点相对应的温度 即为居里温度Tc 1 磁的基本定义 6 磁致伸缩磁性体磁化状态的变化引起其形状 尺寸改变的现象称为磁致伸缩效应 在开关电源中磁致伸缩效应容易引起磁芯的机械共振 从而导致机械噪声和电磁噪声 可通过点胶固
5、定 浸漆 工作频率增高等方法降低 1 磁的基本定义 7 磁心损耗磁性材料的损耗Pc由磁滞损耗Ph 涡流损耗Pe和剩余损耗Pr组成 磁滞损耗是磁化所消耗的能量 正比于静态磁滞回线和磁心的体积涡流损耗是交变磁场在磁心中产生环流引起的欧姆损耗剩余损耗是总损耗中除去涡流损耗和磁滞损耗之后所剩余的损耗 在低频或弱磁场中 剩余损耗主要是磁后效损耗 在较高或高频情况下 剩余损耗主要有尺寸共振损耗 畴壁共振损耗 自然共振损耗 磁心损耗与频率和磁通密度有关 在低频时 总损耗主要由磁滞损耗和涡流损耗构成 Pe 5 10 Ph 剩余损耗可以忽略 高频时 200 300K 总损耗可近似为剩余损耗和涡流损耗 1 磁的基
6、本定义 计算磁芯损耗通过厂家提供的数据计算 磁场与磁感应强度的换算公式 国际单位制和实用单位制 磁场强度1奥斯特 Oe 79 577A m 80A mA m 国际单位Oe 实用单位磁感应强度B的单位在国际单位制中是特斯拉 Tesla 简称特 代号为T 在实用电磁单位制中为高斯 简称高 代号为Gs 两者的关系为1特斯拉 T 1韦伯 米2 1Wb m2 104高斯 Gauss 1mT 10Gauss磁通 1Wb 108Mx1韦伯 国际单位 108麦克斯韦 实用单位 1 磁的基本定义 2 电磁定律 电磁定律线圈的匝数设为N 螺线管平均长度为l 线圈通入电流为I安培环路定律法拉第电磁感应定律电感L 2
7、 电磁能量关系 磁路欧姆定律 3 磁性材料 在开关电源中 常用的软磁材料有铁氧体 磁粉芯 非晶态合金及超微晶合金等 软磁材料要求 1 磁导率高2 要求具有很小的矫顽力Hc和狭窄的磁滞回线3 电阻率 要高4 具有较高的饱和磁感应强度Bs 铁氧体材料 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组成 MeFe2O3 其中Me表示一种或几种2价过渡金属 如锰和锌 MnZn 或镍和锌 NiZn MnZn又分为高磁导率磁芯和功率磁芯 高磁导率磁芯主要用于共模电感 要求磁芯在频率低端有尽量高的磁导率实部 即尽量高的电感量 同时在高频段要求磁芯的频率特性好 即磁
8、芯的截止频率尽量高 而功率磁芯主要用于高频变压器和输入输出电感 NiZn铁氧体磁芯基本属于绝缘材料 电阻率较高 因此 涡流损耗小 适于用在工字形电感以及高频宽带电感中 同时 损耗型NiZn广泛用在电磁兼容对策 EMC对策 中作为吸收式滤波器使用 铁氧体形状 铁氧体材料的主要形状E EI EC P T EP PQ RM 天通的TP4磁芯 新康达LP3磁芯 铁氧体 磁材 磁芯材质的选型方案我们目前通用的材质 以TDK的磁材作为代表 以相当材质 PC40 PC44 PC5对应的厂家分别型号FDK6H207H10TDG 天通 TP4 TP4A TP4S SiemensN67 N8Philps3C90
9、3F3TOKIN2500B2金宁三环JP4A新康达LP3 磁粉芯是由颗粒直径很小 0 5 5mm 的铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成的磁芯 一般为环形 也有压制成E形的 磁粉芯的电磁特性取决于金属粉粒材料的导磁率 粉粒的大小与形状 填充系数 绝缘介质的含量 成型压力 热处理工艺等 磁粉芯主要用于电感铁芯 由于金属软磁粉末被绝缘材料包围 形成分散气隙 大大降低了金属软磁材料的高频涡流损耗 使磁粉芯具有抗饱和特性与宽频响应特性 特别适用于制作谐振电感 功率因数校正电感 输出滤波电感 EMI滤波器电感等 磁粉芯 常用磁粉芯简介 常用磁粉芯主要有铁粉芯铁硅铝粉芯高磁通量 HighFlux 粉芯坡莫合金
10、粉芯 MPP 磁粉芯主要形状环型 E型 常用磁粉芯简介 铁粉芯构成 碳基铁磁粉及树脂碳基铁磁粉 使用注意要点 在高于75 的大功率应用中 由于有机成分的老化而引起电感和品质因数的永久性降低 降低的程度取决于时间 温度 磁芯大小 频率和工作磁通密度 主要用途 各种电源的输入 输出滤波电感 功率因数校正器等 使用频率可达100kHz 常用磁粉芯简介 铁硅铝粉芯典型成 9 Al 55Si 85 Fe 特点 由于在纯铁中加入了硅和铝 使材料的磁滞伸缩系数接近零 降低了材料将电磁能转化为机械能的能力 同时也降低了材料的损耗 使铁硅铝粉芯的损耗比铁粉芯的损耗低 比铁粉芯具有更强的抗直流偏磁能力 由于不含有
11、机成分 铁硅铝粉芯不存在老化问题 工作温度可达200 铁硅铝粉芯的饱和磁感应强度在1 05T左右磁导率 26 60 75 90 125 铁硅铝粉芯的磁通密度 铁硅铝粉芯的温度特性 铁硅铝粉芯的直流叠加特性 铁硅铝粉芯磁导率随交流磁通变化特性 铁硅铝粉芯磁导率频率特性 常用磁粉芯简介 高磁通量 HighFlux 粉芯成分 50 Ni 50 Fe饱和磁感应强度 1 4T左右磁导率有14 26 60 125 147 160特点 是磁粉芯中具有最强抗直流偏磁能力的材料 磁芯损耗与铁粉芯相近 比铁硅铝大许多 用途 主要用在高DC偏压 大直流电和低频交流电路中 也用于线路滤波器 交流电感 输出电感 功率因
12、数校正电感等 常用磁粉芯简介 钼坡莫合金粉芯MPP成分 81 Ni 2 Mo 19 Fe饱和磁感应强度 约为0 75T磁导率 14 26 60 125 147 160 173 200 300 550特点 磁滞伸缩系数接近零 温度稳定性极佳 磁芯损耗低 抗直流偏磁能力仅次于铁硅铝粉芯 但价格最贵用途 主要用于高品质因数滤波器 300kHz以下 感应负载线圈 谐振电路 对温度稳定性要求高的LC电路 输出滤波电感 功率因数补偿电感等 常用磁粉芯简介 电感磁芯损耗比较 设铁氧体的损耗为1 非晶态合金及超微晶合金 定义 非晶态合金的原子排列长程无序 短程有序 无晶粒 晶界 非晶态合金的结构与玻璃结构相似
13、 也称为金属玻璃 性能 有优异的软磁性能 机械强度高 硬度高 韧性好 耐腐蚀 耐磨性好 电阻率较高 常用的非晶态合金有铁基 铁镍基 钴基合金三大类 非晶态合金及超微晶合金 铁基非晶态合金特点 饱和磁感应强度高 磁导率 励磁电流和铁损等方面都优于硅钢片 替代硅钢做配电变压器可节能60 70 应用 配电变压器 大功率开关电源 脉冲变压器 磁放大器 中频变压器及逆变器 适合于10kHz频率使用 非晶态合金及超微晶合金 铁镍基非晶态合金特点 中等饱和磁感应强度 0 8T 较高的初始磁导率和最大磁导率 高的机械强度和优良的韧性 在中低频率下铁损低 经磁场退火后可得到很好的矩形回线 应用 替代1J79 广
14、泛用于漏电开关 精密电流互感器 磁屏蔽等 非晶态合金及超微晶合金 钴基非晶态合金特点 饱和磁感应强度为0 5T 0 8T 饱和磁致伸缩系数为零 对应力不敏感 初始磁导率高 10kHz 100k以上 和最大磁导率 100万 矫顽力低 高频损耗低 机械强度高 韧性好 耐磨性好 价格高 应用 开关电源 磁放大器 脉冲变压器 磁头 磁屏蔽 传感器等 非晶态合金及超微晶合金 超微晶非晶态材料经过热处理后获得直径为10 20纳米的微晶 称为超微晶或纳米晶材料 铁基超微晶合金 FeNbCuSiB合金 具有优异的综合磁性能 磁感应强度为1 2T 初始磁导率为80000 矫顽力为0 32A m 电阻率为80微欧
15、厘米 适用频率 50Hz 100kHz 最佳频率 20kHz 50kHz 磁性元件 按开关电源应用分类 按工作位置分类1 变压器 包括辅助电源变压器 2 共模电感器 输入级 输出级 信号级 3 滤波电感器 输入差模 输出差模 4 PFC电感器5 谐振电感器 互感器 驱动变压器 磁放大器 尖峰信号抑制用磁珠设计磁性器件包括三个步骤 1 正确选择磁性材料2 合理确定磁芯的形状和尺寸3 根据磁性参数要求得到电气参数 磁性元件 浸漆讨论 浸漆的作用是什么呢 答 浸漆作用是 三防 即防尘 防腐 防潮 目前主要用的是环氧树脂漆 为什么可以做到不浸漆 答 原因是1 器件需要三防处理要求降低 包括 器件发热
16、在风的作用下 防尘效果提高等 2 利于器件散热需要 什么条件下的器件需要浸漆 或不需要浸漆 主要目的又是什么 答 在交变磁场较大的条件下 例如 输入差模电感器 谐振电感器PFC电感器等 主要目的是防止器件绕组线匝间短路与噪声问题 磁性元件 反激变压器气隙问题 反激变换器的气隙问题 现在我们假设存在气隙 则存储在磁芯中的能量 存储在气隙中的能量 真空磁导率 相对磁导率 Lg气隙长度 反激变换器的能量究竟是存在气隙里还是磁芯里 完全能量传输方式设计理论计算公式 单端反激型开关电源工作波形图以下的参数计算均基于此图的波形进行理论计算 完全能量传输方式设计理论计算公式 变压器原边电感存储的功率公式PL 变压器原边电感存储的功率 W L 变压器原边电感量 H f 电源开关频率 Hz Ip 变压器原边电流峰值 A Ton 开关管导通时间 s UL 开关管导通时 加在变压器原边电感两端的电压 V 若忽略开关管的导通压降 则UL Uin 反激变压器设计 1 确定输入电压范围 电路输出指标 输出功率 电源开关频率 变压器效率 最大输入占空比2 选择磁芯和骨架3 计算原边电流峰值 原边电感 原边匝数4 确
