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1、电力电子电路常用磁芯元件的设计一、常用磁性材料的基本知识磁性元件可以说是电力电子电路中关键的元件之一，它对电力电子装置的体积、效率等有重要影响，因此，磁性元件的设计也是电力电子电路系统设计的重要环节。磁性材料有很多种类，特性各异，不同的应用场合有不同的选择，以下是几种常用的磁性材料。1低碳钢低碳钢是一种最常见的磁性材料，这种材料电阻率很低，因此涡流损耗较大，实际应用时常制成硅钢片。硅钢片是一种合金材料（通常由 97%的铁和 3%的硅组成） ，它具有很高的磁导率，并且每一薄片之间相互绝缘，使得材料的涡流损耗显著减小。磁芯损耗取决于材料的厚度与硅含量，硅含量越高、电阻率越大。这种材料大多应用于低频
2、场合，工频磁性元件常用这种材料。2铁氧体随着工作频率的提高，对磁芯损耗的要求更高，硅钢片由于制造工艺的限制，已经很难满足这种要求，铁氧体就是在这种形势下出现的。铁氧体是一种暗灰色或者黑色的陶瓷材料。铁氧体的化合物是 MeFe2O4，这里 Me 代表一种或几种二价的金属元素，例如，锰、锌、镍、钴、铜、铁或镁。这些化合物在特定的温度范围内表现出良好的磁性能，但是如果超出某个温度值，磁性将失去，这个温度称为居里温度（T c） 。铁氧体材料非常容易磁化，并且具有相当高的电阻率。这些材料不需要像硅钢片那样分层隔离就能用在高频的应用场合。高频铁氧体磁性材料主要可分为两大类：锰锌（MnZn）铁氧体材料和镍锌
3、（NiZn ）铁氧体材料。比较而言，NiZn 材料的电阻率较高，一般认为在高频应用场合下具有较低的涡流损耗。但是最近的研究表明，如果颗粒的尺寸足够小而且均匀，在几兆赫兹范围内 MnZn 材料显示出较 NiZn 材料更为优越的特性，例如，TDK 公司的 H7F 材料以及 MAGNETICS 公司的 K 材料就是采用这种技术，适用于兆赫兹工作频率下工作的新型铁氧体材料。3粉芯材料粉芯材料是将一些合金原料研磨成精细的粉末状颗粒，然后在这些颗粒的表面覆盖上一层绝缘物质（它用来控制气隙的尺寸，并且降低涡流损耗） ，最后这些粉末在高压下形成各种磁芯形状。由于原料成分的不同，粉芯材料又可分为铁粉芯、钼坡莫合
4、金粉芯（MPP ）和高磁通粉芯（铁镍磁粉芯）等材料。铁粉芯是所有粉芯材料中最为便宜的材料，磁导率一般在 480 左右。由于颗粒之间相互都绝缘，与硅钢片相比虽然涡流损耗被大大地降低，但高频情况下由损耗导致的温升仍很高。所以铁粉芯一般用于较低开关频率的场合。铁粉芯的饱和磁感应强度一般在 1 特斯拉（T）左右。MPP 磁芯的相对磁导率一般在 14350，饱和磁感应强度为 0.7T 左右。在现有的粉芯材料中，MPP 具有损耗低、温度稳定性好的优势。此外，它也是磁导率选择范围最广的粉芯材料。但是由于镍的含量高，所以它也是最昂贵的粉芯材料。由于 MPP 磁芯在所有粉芯材料中磁损最低，所以它特别适合应用于反
5、激电路，Buck/Boost 以及功率因数校正电路，此外均匀分布的气隙使铜损大大降低。高磁通粉芯是一种气隙均匀分布的磁环，由 50%镍和 50%铁合金粉末制成，它的相对磁导率一般在 14200。高磁通粉芯的饱和磁感应强度高达 1.5T，而一般 MPP 为 0.7T，铁氧体为 0.45T。与铁粉芯相比，高磁通粉芯的磁损大大地降低，又由于高饱和磁感应强度，该磁芯使得绝大多数场合下铁粉环尺寸降低成为可能。4非晶及纳米晶软磁合金非晶态金属与合金是 20 世纪 70 年代问世的一类新型材料，采用了超急冷凝固技术，从钢液到薄带成品一次成型。由于超急冷凝固，合金凝固时原子来不及有序排列结晶，得到的固态合金是
6、长程无序结构，没有晶态合金的晶粒、晶界存在，称之为非晶合金。这种非晶合金具有优异的磁性、耐蚀性、耐磨性、高的强度、硬度和韧性，高的电阻率和机电耦合性能等。由于它的性能优异、工艺简单，从 80 年代开始成为国内外材料科学界的研究开发重点。目前美、日、德国已具有完善的生产规模，并且大量的非晶合金产品逐渐取代硅钢和坡莫合金及铁氧体而涌向市场。常用的非晶合金的种类有：铁基、铁镍基、钴基非晶合金以及铁基纳米晶合金。二、磁芯材料的基本参数（1）初始磁导率 i初始磁导率是磁性材料的磁化曲线始端磁导率的极限值，即 HBilm01式中 H/m 为真空磁导率，H 为磁场强度（单位：A/ m） ，B704为磁感应强
7、度（单位：T） 。初始磁导率 与温度和频率有关。i（2）有效磁导率 e在闭合磁路中，磁芯的有效磁导率为7e2e104AlNL式中 L 为线圈的自感量（mH） ；N 为线圈匝数； 为磁芯常数，是磁路eAl长度 l 与磁芯截面积 Ae 的比值（单位：mm -1） 。（3）饱和磁感应强度 Bs在指定温度（25或 100）下，用足够大的磁场强度磁化磁性物质，磁化曲线接近水平线（见附图 11）时，不再随外磁场强度增大而明显增大对应的 B 值，称饱和磁感应强度 Bs。（4）剩余磁感应强度 Br铁磁物质磁化到饱和后，又将磁场强度下降到零时，铁磁物质中残留的磁感应强度即为 Br，称为剩余磁感应强度，简称剩磁。
8、（5）矫顽磁力 H c磁芯从饱和状态去除磁场后，需要一定的反向磁场强度-H c，使磁感应强度减小到零，此时的磁场强度 Hc 称为矫顽磁力（或保磁力） 。（6）温度系数 附图 11 磁性材料磁滞回线温度系数为温度在 T1T 2 内变化时，每变化 1对应的磁导率相对变化量 ,即 ， T2 T1121式中 为温度为 T1 时的磁导率, 为温度为 T2 时的磁导率。1（7）居里温度 Tc居里温度是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度。低于居里温度时该物质成为铁磁体，此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里温度时，该物质成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。（8）磁芯损耗（铁耗）P
9、 c磁芯损耗是指磁芯在工作磁感应强度时的单位体积损耗。磁芯损耗包括：磁滞损耗、涡流损耗、殘留损耗。磁滞损耗是每次磁化所消耗的能量，正比于磁滞回线的面积，如附图 12 所示；涡流损耗是交变磁场在磁芯中产生环流引起的欧姆损耗；残留损耗是由磁化弛豫效应或磁性滞后效应引起的损耗。前两项是磁芯损耗的主要部分。（9）电感系数 AL电感系数是磁芯上每一匝线圈产生的自感量，即 2NLA式中 L 为磁芯线圈的自感量（单位：H） ，N 为线圈匝数。三、铁氧体磁芯的基本知识1材料的磁化烧结后的铁氧体是由小的晶体组成，这种晶体的大小一般在 1020m的范围内，磁畴就是存在于这些晶体之中。在没有外磁场作用时，这些磁畴排
10、列的方向是杂乱无章的，如附图13（a）所示，小磁畴间的磁场是相互抵销的，对外不呈现磁性。当一个外加磁场（H）作用于该材料时，磁畴顺着磁场方向转动，加强了铁氧体内的磁场。随着外磁场的加强，转到外磁场方向的磁畴就越来越多，与外磁场同向的磁感附图 12 磁滞损耗曲线应强度就越强，如附图 13（b）所示。这就是说材料被磁化了。在这个磁化过程中，磁畴重新排列必须克服能量势垒，因此，磁化总是滞后于磁场。所谓的“磁滞回线” （见附图 11） ，就是这种现象的结果。如果对磁化的抵抗并不是很强时，一个特定的磁场强度将会产生很大的感应磁场，铁氧体的磁导率很高。磁滞回线的形状对铁氧体的其他性能有着很强的影响，如磁损
11、。2磁芯的形状铁氧体磁芯有许多不同的形状，如附图 14 所示。这些形状各异的磁芯各有其特点，适用于制作各种磁性元件。（1）磁环磁芯。从磁的角度而言，磁环也许是最佳选择，因为磁环的磁路是一个封闭的形状，因此铁氧体的性能可以最为充分地发挥出来。尤其是对于高磁导率的铁氧体材料，哪怕是一点点气隙都会使得磁导率显著下降。磁环主要应用于脉冲变压器、磁放大器、干扰抑制线圈（共模电感）等场合。磁环在特定功率处理能力下是最便宜的磁性元件之一，但是磁环的绕制却是最困难的。（2）罐型磁芯。罐型磁芯最初是为通信滤波电感而设计的，磁芯几乎包围了所有的线包和骨架，这种结构很好地屏蔽了外部的电磁噪声（EMI） 。罐型磁芯的
12、成本要高于其他形状的磁芯，此外其散热性能较差，所以至今还没有适用于大功率场合的产品。（3）E 型磁芯。E 型磁芯较罐型磁芯便宜，易于绕制，安装方便。E 型磁芯的骨架有立式和卧式两种，立式骨架占用 PCB 板面积较小但高度很大，卧式骨架正好相反。E 型成为最为常用的磁芯形状。可以说 EE 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，仅仅在漏磁场分布存在差异，适用于制作开关电源变压器。（4）EC 磁芯。EC 磁芯介于 E 型与罐型之间，窗口面积较大（较罐型磁芯而言） ，有风道，利于散热。相同面积下圆形中心柱的周长比方形中心柱省11%，减少了铜损，并且绕制的时候圆形要比方形方便。附
13、图 13 磁化过程示意（5）PQ 磁芯。PQ 磁芯主要是为开关电源设计的，能在最小的磁心尺寸下获得最大的电感量和线包面积，因此这种磁芯能在最小的高度与体积情况下输出最大的功率。（6）其他外形磁芯。3磁芯加气隙附图 14 常见磁芯的形状（a）环形 （b）罐型 （c）EE （d）EC （e）PQ （f）EP （g）RM由于铁氧体磁芯的磁导率一般都很高，稍加激励就容易产生磁饱和，所以在开关电源中通常通过加气隙的办法来降低有效磁导率，使得电感能够储存更多的能量。电感储能有如下关系式： er0221VBLI式中 L 为电感量， I 为电感电流，B 为磁感应强度，V e 为磁芯有效体积， 0为真空磁导率，
14、 r 为有效相对磁导率。气隙的引入势必增强电感的漏磁场分布。磁性元件的漏磁场一般可分为外部漏磁场和内部漏磁场，它们主要是由漏磁通路的长度和磁动势决定的。由于内部漏磁场穿过线圈会引起额外的涡流损耗，而外部漏磁场能够产生 EMI，对附近的元件产生影响，所以气隙的引入在某种程度上恶化了电感的工作状态。一般的说，共有五种增加气隙的方法：第一种方法是在磁芯中间垫上一层非磁物质，这样就相当于把气隙分为相等的两部分，第二种方法是通过研磨中心术强行在磁路中插入气隙；第三种方法主要是针对铁氧体磁环而言，由于磁环的特殊结构（既不能研磨又不能分离）只有通过切割的办法来插入气隙；第四种方法就是常用的磁棒；第五种方法是
15、在磁芯加工的时候完成的，也就是常说的金属磁粉芯，包括铁粉芯、铁硅铝、铁镍钼、高磁能磁粉芯等。事实上，上述五种增加气隙的方法中，前三种可由设计者决定，后两种则决定于生产商，设计者只是通过相应的数据手册来选择适合自已的产品。垫气隙的方法将气隙分为两个相同但是更小的气隙，并且每个气隙所承受的磁动势近似为二分之一的总安匝数。而研磨的方法把气隙集中在一处，所以这种方法漏磁场的幅值近似为垫气隙的两倍。此外，由于大气隙的缘故，它的边缘磁场穿过线圈的面积也越大，因此这种情况下的铜损要比垫气隙情况下的铜损要大。当用铜皮绕制电感的时候，这种影响就更加严重了，因为边缘磁场具有很大的垂直分量，该分量垂直于线圈轴，也就
16、是说垂直于铜皮的表面。四、磁性元件损耗磁性元件损耗主要由两部分组成：磁损（又叫铁损，指磁性材料的损耗）和铜损（指线圈中因流过电流而产生的损耗） 。（1）磁损磁损由涡流损耗、磁滞损耗以及残留损耗组成，三部分损耗的计算公式为Steinmetz 方程。emcoreVBfCP式中 Cm 为损耗系数， 为工作频率， B 为工作磁感应强度幅值，V e 为磁芯面积， 、 分别为大于 1 的频率和磁感应损耗系数。（2）铜损铜损是电流通过线圈所产生的损耗。在低频场合，铜损计算是直接将电流有效值的平方乘以线圈的直流电阻得到的。随着频率的提高，趋肤效应、邻近效应等因素的影响变得越来越严重。五、高频变压器的设计高频变压器的设计，应当预先设定具体的电路拓扑、工作频率、输入和输出电压、输出功率、变压器的效率以及环境条件。通常以满足最坏情况设计变压器，以保证设计的变压器在规
