开关电源技术第六和第七次课磁性原件—最新版课件(1)

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1、开关电源技术开关电源技术2015/10/26第四章 磁性材料和磁路基本定律BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关电源技术开关电源技术L电感和变压器2015/10/262NPNS电感器 (Inductor)变压器 (Transformer)电感量 L原副边匝数 比NP/ NS是否算出电感的L和变压器的NP/ NS就可以了？BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关电源技术开关电源技术目录2015/10/263第四章 磁性材料和磁路基本定律4.1 基本参数4.2 磁性材料4.3 磁路基本定律BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关电源技术开关电

2、源技术目录2015/10/264第四章 磁性材料和磁路基本定律4.1 基本参数4.2 磁性材料4.3 磁路基本定律BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关电源技术开关电源技术1) 磁感应强度B；2) 磁导率m；3) 磁场强度H；4) 磁通f；5) 温度系数；6) 居里温度；7) 电感因数AL； 基本参数2015/10/265BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关电源技术开关电源技术 基本参数2015/10/2661) 磁感应强度B3) 磁场强度H2) 磁导率m4) 磁通f表征磁场中某一点的磁性强弱和 方向的矢量(右手定则)ILFB 穿过垂直于B方向的面积S

3、中的磁力线总和，即BSf/HBm是表征磁场中铁芯磁性能的物理量，可用来衡量 磁介质导磁能力。某点磁感应强度B与磁导率的比值：BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关电源技术开关电源技术 基本参数2015/10/2672) 磁导率m绝对磁导率真空磁导率相对磁导率等效磁导率7 0410/H mm/B Hm0/rmm mL：线圈自感、N：线圈匝数 Ae：磁芯截面积、l：磁路长度7 2104eeAl NL m在闭合磁路中（漏磁可忽略），有效磁导率me为:带有气隙的磁芯或者非均匀横截面的磁芯中， 各段磁路中和气隙中的m值不同。通常用均匀的 环形磁芯的磁导率等效。BEIJING JIAO

4、TONG UNIVERSITY开关电源技术开关电源技术 基本参数2015/10/262)磁导率m初始磁导率最大磁导率增量磁导率HBHi00lim1mm磁性材料磁化曲线始端 磁导率的极限值:磁导率中的最大值mmB Hm表示该点附近磁感应强度 随磁场强度变化的情况。8BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关电源技术开关电源技术 基本参数2015/10/2695) 温度系数6) 居里温度7) 电感因数AL1、2分别是温度为 T1、T2时的磁导率。)(11212112TT TTau mmm温度在T1T2范围内变化时，温度每变化一度相应磁导率 的相对变化量，即：确定了磁性器件工作的上限

5、温度。铁磁物质的磁化强度随温度过度升高将会下降，当达到某一 临界温度时，自发磁化（即磁畴）便消失，这一临界温度称 居里温度。具有一定形状和尺寸的磁芯上每匝线圈产生的自感量， 称为自感系数，即：2/LAL NBEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关电源技术开关电源技术2015/10/26104.1 基本参数4.2 磁性材料4.3 磁路基本定律BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关电源技术开关电源技术 磁性材料2015/10/26111) 磁滞回线(B-H曲线)；2) 加气隙后磁滞回线的变化；3) 电路中磁芯三种工作状态；4) 磁性材料的分类；5) 磁芯损耗；

6、6) 磁芯的选择；BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关电源技术开关电源技术2015/10/26 磁性材料121) 磁滞回线(B-H曲线)磁感应强度随外加磁 场强度的变化曲线Bs:饱和磁感应强度Saturation Flux Density ；Br:剩余磁感应强度Remanence ；Hc:矫顽力 Coercive Force；磁滞现象磁感应强度B 的改变滞后于磁场 强度H 的现象称为磁滞现象。磁化曲线与退磁曲线不重合特性。磁化的不可逆性B达到Bs时，增大H，B不再增大。磁饱和特性BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关电源技术开关电源技术 磁性材料201

7、5/10/2613矩形系数矩形系数剩余磁感应强度Br与饱和磁感应强度Bs之比。 用来表征磁芯材料特性矩形程度的参数。S型回线 高导磁率软磁材料矩形回线 坡莫合金软磁材料扁平回线 宽恒导磁合金材料1) 磁滞回线(B-H曲线)BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关电源技术开关电源技术 磁性材料2015/10/26142) 加气隙后磁滞回线的变化0001cc rcrcr rr c cBBI NH lHlBlHlH ll m mmmmm mm等效磁导率等效磁导率11 11rcr errcclllmmmm m 剩余磁感应强度剩余磁感应强度00*c recclBHHm mmBEIJIN

8、G JIAOTONG UNIVERSITY开关电源技术开关电源技术 磁性材料2015/10/26153) 电路中磁芯三种工作状态第三类：单向磁化第一类：双向磁化第二类：单向磁化变压器、交流滤波电感单端变换器中的脉冲变压器直流滤波电感BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关电源技术开关电源技术 磁性材料2015/10/26164) 磁性材料的分类磁性材料按照磁化后去磁的难易程度，可分为:硬磁材料是指那些经过饱和磁化后，即使去掉外部磁化磁场，材料中 的剩磁仍能长时间地保持磁化状态，并在周围空间产生长久不变的磁场。硬磁材料具有强大矫顽力和宽大的磁滞特性曲线。软磁材料是指那些插入通电

9、绕组中，材料被磁化，使绕组周围的磁 场大大加强，而一旦去掉外部磁化电流，材料本身的磁性就非常小。 软磁材料具有小的矫顽力(coercive force)和高的初始磁 导率(initial permeability)，剩磁弱。硬磁性材料软磁性材料BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关电源技术开关电源技术 磁性材料2015/10/2617软磁性材料1. 合金类：硅钢片，坡莫合金，非晶态和微晶态材料;2. 粉芯类：磁粉心，包括：铁粉芯、铁硅铝粉芯(Kool Mm)、高磁通量粉芯(High Flux)、坡莫合金粉芯(MPP);3. 铁氧体类：特殊的粉芯类，包括锰锌系、镍锌系。4)

10、磁性材料的分类铁、钴、镍三种铁磁性元素是构成磁性材料的基本单元。BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关电源技术开关电源技术2015/10/2618 磁性材料软磁性材料4) 磁性材料的分类BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关电源技术开关电源技术2015/10/2619 磁性材料软磁性材料4) 磁性材料的分类BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关电源技术开关电源技术2015/10/2620 磁性材料软磁性材料4) 磁性材料的分类锰锌铁氧体材料主要分为： 高频低功耗铁氧体（又称 功率铁氧体）； 高磁导率即高 i 铁氧体。BEIJING J

11、IAOTONG UNIVERSITY开关电源技术开关电源技术 磁性材料2015/10/2621大分类大分类主分类主分类频率频率合金磁芯硅钢片(Si-Fe)400Hz以下坡莫合金(Ni-Fe)400Hz8KHz钴铁合金(Co-Fe)10kHz以下非晶或超微晶合金(Fe Co)50kHz100kHz铁粉磁芯碳基铁粉芯(C-Fe)300MHz以下铁铝硅粉芯(Al-Si-Fe)1MHz以下钼坡莫合金铁粉芯(Mo-Ni-Fe)300kHz以下铁氧体磁芯锰锌铁氧体(Mn-Zn-Fe)1MHz以下镍锌铁氧体(Ni-Zn-Fe)1MHz200MHz镁锌铁氧体(Mg-Zn-Fe)25MHz以下软磁性材料4) 磁

12、性材料的分类BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关电源技术开关电源技术 磁性材料2015/10/2622TOROIDAL MagneticsTOROIDSOLID CENTER POST RM CORE4) 磁性材料的分类软磁性材料BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关电源技术开关电源技术 磁性材料2015/10/2623 在低频(比如50Hz)应用中，一般铁氧体比不上性能优良的硅钢片。若在低频 时采用铁氧体磁芯，变压器的体积就非常大，因此在低频时，特别是工频时都采 用硅钢磁芯。在高频(比如20kHz)时叠层式硅钢片的涡流和磁滞损耗很大，铁氧 体则由于其

13、高电阻率磁芯的损耗很低，因此在高频时通常用铁氧体磁芯。 近年来非晶态软磁材料和微晶软磁材料发展很快，由于它们的性能优良，加 工成形容易而受到人们的青睐。目前在十几KHz至几十KHz的中、大功率电力电 子装置中应用较广。在上百KHz领域及十KHz的小功率领域仍以铁氧体磁芯材料 为主。 负载电流较大时，磁芯的选择一般不直接选用高磁导率材料，通常选用磁导 率较低的材料，在选滤波扼流圈磁芯时更是如此。这是因为磁导率较低可以去掉 较大的有效空气隙。 磁性材料在应用中必须注意其居里点温度。一些铁氧体的居里点温度可以低 到130左右。解决的办法是在居里点和工作温度之间留有一个安全间隔. 软磁材料应用的几个注

14、意点4) 磁性材料的分类BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关电源技术开关电源技术 磁性材料2015/10/26245)磁芯损耗磁芯在最大磁感应强度时的单位体积损耗涡流损耗(Pe)磁滞损耗(Ph)1.6 TmPf BV合金铁磁物质，在低频(50Hz)和较高的Bm范 围内，损耗一般可以用：TmPfBV在200300kHz，磁芯损耗可以表示为：V损耗系数， 磁芯体积1， 分别为大于 的频率和磁感应损耗系数 磁芯的电阻率大，涡流损耗小。与磁滞环的面积有关BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关电源技术开关电源技术 磁性材料2015/10/2625磁芯损耗的 温度

15、特性温度对铁氧体的损耗影响很大；不同材料有不同的温度特性曲线；设计时注意工作温度范围；5)磁芯损耗BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关电源技术开关电源技术 磁性材料2015/10/2626磁芯损耗模型Setinmetz Model磁芯损耗：磁材品质工作频率温度磁通密度直流偏置磁滞曲线形状5)磁芯损耗BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关电源技术开关电源技术 磁性材料2015/10/26276) 磁性材料的选择举例1.双向磁化变压器： 磁感应在Bm之间变化，一般取BmBs，要求其磁滞回 线的面积，特别是在高频下的回线面积要小， 同时为降低 空载损耗、减小

16、励磁电流，应有高磁导率。 功率铁氧体在高频下具有很高的电阻率，因而涡流损 耗低、价格低，适合用于高频变压器磁芯。应用变压器输出滤波电感共模电感磁芯性能要 求低频：高Bs 高频：低Bs高Bs高m宽恒定的m高m低Hc或低Br低损耗低损耗低损耗BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关电源技术开关电源技术 磁性材料2015/10/2628开关电源的磁性材料：双向磁化变压器或谐振电感：锰锌铁氧体、非晶磁芯电感扼流圈：铁粉芯、锰锌铁氧体、镍芯铁氧体、非晶磁芯共模抑制器或尖峰抑制器：高导磁率的锰锌铁氧体、非晶磁芯等6) 磁性材料的选择BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关电源技术开关