1第十三章第十三章 功率变换器中的功率变换器中的磁性元件设计磁性元件设计 2开关变换器中常用的磁性元件开关变换器中常用的磁性元件:变压器：变压器：功率变压器（高功率变压器（高/中中/低频），驱动变压器，采样变压器，低频），驱动变压器，采样变压器，电流互感器等电流互感器等电感电感:直流滤波电感，交流滤波电感，谐振电感，抑制电磁干扰直流滤波电感，交流滤波电感，谐振电感，抑制电磁干扰电感电感(共模共模/差模差模)等等第十三章第十三章 功率变换器中的磁性元件设计功率变换器中的磁性元件设计磁性元件在功率变换器中占较大比重，磁性元件在功率变换器中占较大比重，其设计好坏对变换器性能影响较大其设计好坏对变换器性能影响较大磁性元件工作状态磁性元件工作状态—铁芯材料选择铁芯材料选择—铁芯及绕组参数计算铁芯及绕组参数计算 3一一 磁滞回线磁滞回线 B－－H曲线曲线第一节第一节 铁心的磁特性及基本的磁物理量铁心的磁特性及基本的磁物理量磁化曲线磁化曲线 剩磁感应剩磁感应Br：：H=0；磁化到饱；磁化到饱和后得到的值和后得到的值 矫顽磁场强度矫顽磁场强度Hc：将：将B减小到减小到0；取决于激磁，通常指磁化到饱；取决于激磁，通常指磁化到饱和后得到的值和后得到的值 饱和磁感应饱和磁感应Bs 4一一 磁滞回线磁滞回线第一节第一节 铁心的磁特性及基本的磁物理量铁心的磁特性及基本的磁物理量三种典型形状：三种典型形状：S形：形：高导磁率软磁材料高导磁率软磁材料矩形：矩形：坡莫合金软磁材料坡莫合金软磁材料扁平：扁平：宽恒导磁率合金软磁材料宽恒导磁率合金软磁材料 5一一 磁滞回线磁滞回线铁心的温度特性：温度高，铁心的温度特性：温度高，Bs小小第一节第一节 铁心的磁特性及基本的磁物理量铁心的磁特性及基本的磁物理量 6二二 磁导率：磁导率：真空中真空中μ0=4π*10-7H/m第十三章第十三章 功率变换器中的磁性元件设计功率变换器中的磁性元件设计磁导率：磁导率： μ＝＝B/H，反应材料的导磁性能，反应材料的导磁性能 绝对磁导率绝对磁导率μ 相对磁导率相对磁导率μ r μ= μ0 μ r 等效磁导率等效磁导率μe 有气隙铁芯、非均有气隙铁芯、非均匀铁芯，用等效均匀匀铁芯，用等效均匀铁芯的磁导率铁芯的磁导率 7二二 磁导率：磁导率：真空中真空中μ0=4π*10-7H/m第十三章第十三章 功率变换器中的磁性元件设计功率变换器中的磁性元件设计增量磁导率增量磁导率μΔ 局部磁滞回线局部磁滞回线 8三、加气隙后磁滞回线的变化三、加气隙后磁滞回线的变化 矫顽磁场强度矫顽磁场强度Hc ，饱和磁感应强度，饱和磁感应强度Bs 不变不变 磁导率磁导率μ ，剩磁感应强度，剩磁感应强度Br 大大下降大大下降第十三章第十三章 功率变换器中的磁性元件设计功率变换器中的磁性元件设计 9加气隙后加气隙后μμ及及Br的变化的变化 ：：第十三章第十三章 功率变换器中的磁性元件设计功率变换器中的磁性元件设计 10四、损耗四、损耗图图13－－7 磁滞损耗磁滞损耗 铁损铁损 涡流损耗涡流损耗磁性元件损耗磁性元件损耗 铜损铜损第十三章第十三章 功率变换器中的磁性元件设计功率变换器中的磁性元件设计铁心损耗铁心损耗=磁滞损耗磁滞损耗+涡流损耗涡流损耗磁滞损耗：磁滞损耗：磁滞回线面积磁滞回线面积 涡流损耗：电阻率，钢带厚度，涡流损耗：电阻率，钢带厚度，工作频率工作频率软磁材料：软磁材料：磁滞回线面积磁滞回线面积 小小 11三类：三类：1---双向磁化：双向磁化： 变压器，交流滤波电感变压器，交流滤波电感2---单向磁化，单向磁化，Hmin＝＝0 单端变换器电路中的脉冲变压器单端变换器电路中的脉冲变压器3—单向磁化单向磁化,局部局部 直流滤波电感直流滤波电感第二节第二节 铁心的工作状态铁心的工作状态 12第一类工作状态：第一类工作状态： 铁芯双向磁化、无直流偏磁铁芯双向磁化、无直流偏磁 多晶体管电路多晶体管电路—推挽，半桥，全桥变推挽，半桥，全桥变换器中的主变压器换器中的主变压器 铁心利用率高铁心利用率高，，△△B=2Bm 变压器可传递不同形状的电压波形：变压器可传递不同形状的电压波形： u=NdΦ/dt= NScdB/dt第二节第二节 铁心的工作状态铁心的工作状态 13正弦波：正弦波：电压正半周大于电压正半周大于0，，B上升上升△△B准矩形波：准矩形波：幅值幅值U,脉宽脉宽TonSc---m2,Bm---T, 1T=104Gs, △ △B=2Bm第一类工作状态第一类工作状态:第二节第二节 铁心的工作状态铁心的工作状态 14工作特点及铁心材料工作特点及铁心材料: p289 I．磁感应在土．磁感应在土Bm之间变化，其变化量之间变化，其变化量2Bm，故铁心利用率高。
故铁心利用率高一般取一般取Bm＜＜Bs, 如果铁心如果铁心Bs越大，越大，Bm可取得越大，铁心体积可取得越大，铁心体积重量就越小，因此应选取高饱和磁感应重量就越小，因此应选取高饱和磁感应Bs的磁性材料的磁性材料 2．因铁心沿整个磁滞回线交替磁化，故铁心损耗较大，在频．因铁心沿整个磁滞回线交替磁化，故铁心损耗较大，在频率高时尤为突出所以应选择磁滞回线窄及电阻率高的材料，率高时尤为突出所以应选择磁滞回线窄及电阻率高的材料，或选择较低的或选择较低的Bm值 3．用于变压器的铁心，为减小激磁电流，应选择磁导率高的．用于变压器的铁心，为减小激磁电流，应选择磁导率高的材料 应选择高应选择高Bs、高磁导率及低损耗的材料、高磁导率及低损耗的材料第二节第二节 铁心的工作状态铁心的工作状态 15希望：希望：Bs高高Br低，低损耗，低，低损耗，高磁导率高磁导率开一气隙可以开一气隙可以降低降低Br，但激，但激磁电流增大磁电流增大第二节第二节 铁心的工作状态铁心的工作状态二、第二类工作状态二、第二类工作状态单向矩形脉冲电压、有直流磁化分量单向矩形脉冲电压、有直流磁化分量 例：单端正激、反激变换器中的变压器例：单端正激、反激变换器中的变压器△ △B=Bm-Br激磁电流只有单方向激磁电流只有单方向 16工作特点及铁心材料工作特点及铁心材料: p290 1.这类工作状态的磁感应变化量这类工作状态的磁感应变化量ΔB ＝＝Bm-Br。
同样，同样，为使铁心不饱和，应取为使铁心不饱和，应取Bm＜＜Bs即即ΔΔB B＜＜Bs-Br，所以铁，所以铁心利用率较低为增大心利用率较低为增大ΔB ，应选择高，应选择高Bs及低及低Br的材料；的材料；或可将铁心开一小气隙以降低或可将铁心开一小气隙以降低Br，但增大了激磁电流，，但增大了激磁电流，从而增加了损耗从而增加了损耗 2．铁心工作于局部磁滞回线，所包围的面积小，故损．铁心工作于局部磁滞回线，所包围的面积小，故损耗比第耗比第I类工作状态要小，而局部磁滞回线的磁导率较低类工作状态要小，而局部磁滞回线的磁导率较低 应选高应选高Bs, 高等效磁导率、高等效磁导率、低低Br及低损耗的磁性材料及低损耗的磁性材料第二节第二节 铁心的工作状态铁心的工作状态 17大直流分量大直流分量+小交流分量小交流分量 例：例：DC-DC中的输出滤波电感中的输出滤波电感第二节第二节 铁心的工作状态铁心的工作状态三、第三类工作状态三、第三类工作状态 18第三类工作状态：第三类工作状态：铁心的磁化状态铁心的磁化状态—局部磁滞回线变化局部磁滞回线变化储能电感，直流滤波电感等：流过线圈的电流储能电感，直流滤波电感等：流过线圈的电流=较大的直流分较大的直流分量量+交流分量交流分量一般：一般： △△B<
损耗取决于含硅量及钢带厚度高硅薄带损耗低高硅薄带损耗低50HZ—0.35mm;400Hz—0.2mm;1khz—0.1mm，适于低频工作，适于低频工作二二. 软磁铁氧体软磁铁氧体电阻率高电阻率高,损耗低损耗低,价廉价廉,适于高频适于高频工作工作缺点缺点:Bs低低；温度稳定性差，；温度稳定性差，Bs随温度升高而下降；居里点低；随温度升高而下降；居里点低；机械强度较差机械强度较差三三. 铁镍软磁合金（坡莫合金）铁镍软磁合金（坡莫合金）：：Bs高，高磁导率，矫顽力极低，矩形比高，可工作于几高，高磁导率，矫顽力极低，矩形比高，可工作于几kHz,超坡莫合金超坡莫合金1J851:损耗小，损耗小，f 可达可达100kHz,温度特性好，居里点高，温度特性好，居里点高，磁性能稳定磁性能稳定价格高；价格高；第三节第三节几种常用铁心材料的性能及选用几种常用铁心材料的性能及选用 21四四.非晶合金及微晶合金材料非晶合金及微晶合金材料非晶合金：非晶合金：电阻率高电阻率高,损耗低损耗低,Bs高高Hr小小,适于高频适于高频工作工作 分铁基，钴基，铁镍基分铁基，钴基，铁镍基三类三类钴基钴基:高磁导率，矫顽力极低，高频损耗低，电阻率高，但高磁导率，矫顽力极低，高频损耗低，电阻率高，但Bs较低，价贵较低，价贵—小功率小功率 高频变压器高频变压器铁基：铁基：Bs高，铁损较低，价廉高，铁损较低，价廉---大功率变压器铁心大功率变压器铁心铁镍基：介于铁基与钴基之间铁镍基：介于铁基与钴基之间铁基微晶合金：铁基微晶合金：与钴基非晶比，损耗相当，与钴基非晶比，损耗相当，Bs高，温度稳定性高，温度稳定性好，机械特性好，价廉好，机械特性好，价廉五五.宽恒导磁合金：宽恒导磁合金：-高高Bs，线性扁平磁滞回线，线性扁平磁滞回线--高频电感高频电感铁镍合金恒导磁钢带铁镍合金恒导磁钢带1J50h;恒导磁铁粉心恒导磁铁粉心第三节第三节几种常用铁心材料的性能及选用几种常用铁心材料的性能及选用 22铁心材料的选用铁心材料的选用: (P298)根据工作状态，功率大小，根据工作状态，功率大小，工作频率工作频率，铁损，体积重，铁损，体积重量，价格，工作环境要求综合考虑量，价格，工作环境要求综合考虑铁心损耗与工作频率有关：铁心损耗与工作频率有关：f高，损耗增大高，损耗增大功率大而频率不高（小于功率大而频率不高（小于1000Hz）时，硅钢最好；）时，硅钢最好；铁氧体：小功率，高频率（几十、几百铁氧体：小功率，高频率（几十、几百kHz以上），以上），温度不高场合温度不高场合非晶、微晶：几非晶、微晶：几k~20kHz、中等以上功率应用场合、中等以上功率应用场合第三节第三节几种常用铁心材料的性能及选用几种常用铁心材料的性能及选用 23作业作业:13-1 ,13-2,第一节第一节 铁心的磁特性及基本的磁物理量铁心的磁特性及基本的磁物理量第二节第二节 铁心的工作状态铁心的工作状态第三节几种常用铁心材料的性能及选用第三节几种常用铁心材料的性能及选用第十三章第十三章 功率变换器中的磁性元件设计功率变换器中的磁性元件设计第四节第四节 脉冲功率变压器及电感的设计脉冲功率变压器及电感的设计 具体的设计实例具体的设计实例 24设计例子设计例子一一：：脉冲变压器脉冲变压器1.选取铁心材料选取铁心材料,确定工作磁密确定工作磁密△△B:Bm=(1/3—1/2)Bs2.确定铁心型号或尺寸确定铁心型号或尺寸：：SQ取决于输出功率和频率取决于输出功率和频率3.绕组计算：绕组计算：双向磁化双向磁化:单向磁化单向磁化副边绕组计算副边绕组计算:根据输出电压根据输出电压,输出滤波形式来确定副边绕组电压幅值输出滤波形式来确定副边绕组电压幅值绕组线径计算绕组线径计算: 根据电流波形计算绕组电流有效值根据电流波形计算绕组电流有效值I，确定导线截面积，确定导线截面积Su,考虑集考虑集肤效应选定导线线规肤效应选定导线线规4.校核窗口校核窗口: ku<0.3第四节第四节 脉冲功率变压器及电感的设计脉冲功率变压器及电感的设计 25副边绕组副边绕组: 根据输出电压根据输出电压,输出滤波形式确定副边绕组电压幅值输出滤波形式确定副边绕组电压幅值D: 1—TON/T; 2—2TON/T; 3---2TON/TUD:1—UD1; 2—UD1; 3---2UD1第四节第四节 脉冲功率变压器及电感的设计脉冲功率变压器及电感的设计 26设计例子二：设计例子二：电感设计步骤：电感设计步骤： （宽恒导磁材料）（宽恒导磁材料）1.选取铁心材料选取铁心材料,确定工作磁密确定工作磁密Bm=（（1/2—2/3)Bs，，Hm2.确定铁心型号或尺寸确定铁心型号或尺寸：：V=Sclc取决于电感储能取决于电感储能3.计算绕组匝数：计算绕组匝数：4.核算最大磁场强度核算最大磁场强度Hmax：：1A/m=4π10-3噢斯特噢斯特1GsOc=4π10-7T ·m/A5.绕组线径计算：绕组线径计算：6.校核铁心窗口：校核铁心窗口：磁导率单位：米磁导率单位：米/安安第四节第四节 脉冲功率变压器及电感的设计脉冲功率变压器及电感的设计 27第四节第四节 脉冲功率变压器及电感的设计脉冲功率变压器及电感的设计设计例子二：设计例子二：电感设计步骤：电感设计步骤： （（铁氧体铁氧体+气隙气隙））μH A Tcm2 28一些实际问题：一些实际问题：1 变压器的瞬态饱和及其防止方法变压器的瞬态饱和及其防止方法第四节第四节 脉冲功率变压器及电感的设计脉冲功率变压器及电感的设计1) 变压器的瞬态饱和变压器的瞬态饱和 --> 电流尖锋电流尖锋 2) 解决解决: Bm的设计裕量的设计裕量HB 29一些实际问题：一些实际问题：1 变压器的瞬态饱和及其防止方法变压器的瞬态饱和及其防止方法2 集肤效应集肤效应穿透深度穿透深度△△：： 导线的磁导率，导线的磁导率， 电导率电导率第四节第四节 脉冲功率变压器及电感的设计脉冲功率变压器及电感的设计导线线径要小于导线线径要小于2倍倍△ △ 利用多股线或扁铜皮利用多股线或扁铜皮 30一些实际问题：一些实际问题：1 变压器的瞬态饱和及其防止方法变压器的瞬态饱和及其防止方法2 集肤效应集肤效应3 绕组的漏感绕组的漏感 产生产生,危害危害,减小的方法减小的方法与绕法有关：原副边绕组分层交叉绕法，可以大大减与绕法有关：原副边绕组分层交叉绕法，可以大大减小漏感小漏感与铁心形状有关：环形最小，罐形也较小与铁心形状有关：环形最小，罐形也较小第四节第四节 脉冲功率变压器及电感的设计脉冲功率变压器及电感的设计夹绕夹绕/并绕并绕分布电容：引起电流尖峰，分段绕制可减小分布电容：引起电流尖峰，分段绕制可减小c 31作业作业n13-5n13-7-n注重掌握设计方法与步骤注重掌握设计方法与步骤第四节第四节 脉冲功率变压器及电感的设计脉冲功率变压器及电感的设计 。