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1、几种常用磁性器件中磁芯的选用及设计开关电源中使用的磁性器件较多，其中常用的软磁器件有：作为开关电源核心器件的主 变压器（高 频功率变压器）、共模扼流圈、高频磁放大器、滤波阻流圈、尖學信号抑制器等。 不同的器件对材料的性 能要求各不相同，如表所示为各种不同器件对磁性材料的性能要求。应用1i：茨压 器磁敝犬器常模1匕：共模电感尖峰抑制儀输出滤波电感5 Bs髙 Br/Bs高髙皿髙 Br/Bs高Bs磯芯性高皿低损耗低损耗低损耗低损耗能要求高Tc低He高AB高ID宽f下恒定的u1低损耗I低损耗（一）、高频功率变压器变压器铁芯的大小取决于输出功率和温升等。变压器的设计公式如下：P 二 KfNBSIxlOA
2、hcPc+hB其中，戸为电功率；K为与波形有关的系数；f为频率；N为匝数；S为铁芯面积；B为工作磁感；I 为电流；T为温升；氏为铁损；R为铜损；h和hv为由实验确定的系数。由以上公式可以看出：高的工作磁感B可以得到大的输出功率或减少体积重量。但B值的增加受到 材料的Bs值的限制。而频率f可以提高几个数量级，从而有可能使体积重量显著 减小。而低的铁芯损耗 可以降低温升，温升反过来又影响使用频率和工作磁感的选取。一般 来说，开关电源对材料的主要要求 是：尽量低的高频损耗、足够高的饱和磁感、高的磁导率、 足够高的居里温度和好的温度稳定性，有些用 途要求较高的矩形比，对应力等不敏感、稳定 性好，价格低
3、。单端式变压器因为铁芯工作在磁滞回线的第 一象限，对材料磁性的要求有别 于前述主变压器。它实际上是一只单端脉冲变压器，因而要求具有大的B二Bm-Br，即磁感Bin和剩磁Bi之差要大；同时要求高的脉冲磁导率。特别是对于单端反激式开关主变 压器， 或称储能变压器，要考虑储能要求。线圈储能的多少取决于两个因素：一个是材料的工作磁感Bin值或电感t L另一个是 工作磁场Hm 或工作电流I，储能W=1/2LI。这就要求材料有足够高的Bs值和合适的磁导率，常为宽恒导磁材料。对 于工作在士 Bin之间的变压器来说，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、减小励磁电流，应有
4、高磁导率，最合适的为 封闭式环形铁芯，其磁滞回线见图所示，这种铁 芯用于双端或全桥式工作状态的器件中。纳米晶合金的磁滞回纯 通常，金属晶态材料要降低高频下的铁损是不容易的，而对于非晶合金来说，它们由于不存 在磁晶各向异 性、金属夹杂物和晶界等，此外它不存在长程有序的原子排列，其电阻率比一 般的晶态合金高2-3倍，加 之快冷方法一次形成厚度 15-30微米的非晶薄带，特别适用于高 频功率输出变压器。已广泛应用于逆变弧 焊电源、单端脉冲变压器、高频加热电源、不停电 电源、功率变压器、通讯电源、开关电源变压器和高能 加速器等铁芯，在频率20-50kHz、功率50kW以下，是变压器最佳磁芯材料。近年来
5、发展起来的新型逆变弧焊电源单端脉冲变压器，具有高频大功率的特点，因此要 求变压器铁芯 材料具有低的高频损耗、高的饱和磁感Bs和低的Br以获得大的工作磁感B，使焊机体积和重量减小。常 用的用于高频弧焊电源的铁芯材料为铁氧体，虽然由于其电阻率 高而具有低的高频损耗，但其温度稳定性 较差，工作磁感较低，变压器体积和重量较大，已 不能满足新型弧焊机的要求。 采用纳米晶环形铁芯后， 由于其具有高的Bs值（Bs1. 2T）,高的AB值（ABAOJT），很高的脉冲磁导率和低的损耗，频率可达1 OOkHz 可使铁芯的体积和重量大为减小。近年来逆变焊机已应用纳米晶铁芯达几万只，用户反映用纳米晶 变压器 铁芯再配
6、以非晶高频电感制成的焊机，不仅体积小、重量轻、便于携带，而且电弧稳定、飞 溅小、 动态特性好、效率高及可靠性高。这种环形纳米晶铁芯还可用于中高频加热电源、脉 冲变压器、不停电电 源、功率变压器、开关电源变压器和高能加速器等装置中。可根据开关 电源的频率选用磁芯材料。环形纳米晶铁芯具有很多优点，但它也有绕线困难的不利因素。为了在匝数较多时绕线方便，可选用 高频大功率C型非晶纳米晶铁芯。采用低应力粘结剂固化及新的切割工艺制成 的非晶纳米晶合金C型铁芯 的性能明显优于硅钢C型铁芯。目前这种铁芯已批量用于逆变焊 机和切割机等。逆变焊机主变压器铁芯和 电抗器铁芯系列有：120A 160A 200A、25
7、0A、315A、400A、500A、630A 系列。（二）、脉冲变压器铁芯脉冲变压器是用来传输脉冲的变压器。当一系列脉冲持续时间为td （“s）、脉冲幅值电压为Um （V）的单极性脉冲电压加到匝数为N的脉冲变压器绕组上时，在每一个脉冲结束时，铁 芯中的磁 感应强度增量AB （T）为：AB = Um td / NSc x 10-2其中Sc为铁芯的有效截面积（cm2）。即磁感 应强度增量AB与脉冲电压的面积（伏秒乘积）成正比。对输出单向脉冲 时，AB=Bn）-Br ,如果在脉冲变 压器铁芯上加去磁绕组时，AB = Bni + Br。在脉冲状态下，由动态脉冲磁滞回线的AB与相应的AHp之 比为脉冲磁
8、导率“P。理想的脉冲波形是指矩形 脉冲波，由于电路的参数影响，实际的脉冲波形与矩形脉 冲有所差异，经常会发生畸变。比如脉冲前沿的上升时间tr与脉冲变压器的漏电感Ls、绕组和结构零件 导致的分布电容Cs成比例，脉冲顶降Z与励磁电感5成反比，另外涡流损耗因素也会影响输出的脉冲波 形。脉冲变压器的漏电感Ls=4/3 兀 N21 lm / h脉冲变压器的初级励磁电感Lm= 4“ 7rp Sc N2/ 1 xlO-9涡流损耗Pe= Um d2td IF / 12 N21 SepB为与绕组结构型式有关的系数，5为绕组线圈的平均匝长，h为绕组线圈的宽度，N1为初级绕组匝 数，1为铁芯的平均磁路长度，Sc为铁
9、芯的截面积，“P为铁芯的脉冲磁导率，P为铁芯材料的电阻率， d为铁芯材料的厚度，尺为脉冲重复频率。从以上公式可以看出，在给定的匝数和铁芯截面积时，脉冲宽度愈大，要求铁芯材料的 磁感应强度的变化量AB也越大；在脉冲宽度给定时，提高铁芯材料的磁感应强度变化4AB,可以大大减少脉冲变压器铁芯的截面积和磁化绕组的匝数，即可缩小脉冲变压器的体积。要 减小脉冲波形前沿的失真，应尽量减小脉 冲变压器的漏电感和分布电容，为此需使脉冲变压 器的绕组匝数尽可能的少，这就要求使用具有较高脉冲 磁导率的材料。为减小顶降，要尽可能的提高初级励磁电感量Lm，这就要求铁芯材料具有较高的脉冲磁导 率“P。为减小涡流损耗，应选
10、用电阻率高、厚度尽量薄的软磁带材作为铁芯材料，尤其是对重复频率高、 脉冲宽 度大的脉冲变压器更是如此。脉冲变压器对铁芯材料的要求为： 高饱和磁感应强度 Bs 值； 高的脉冲磁导率，能用较小的铁芯尺寸获得足够大的励磁电感； 大功率单极性脉冲变压器要求铁芯具有大的磁感应强度增量AB，使用低剩磁感应材料；当采用附 加直流偏磁时，要求铁芯具有高矩形比，小矫顽力 He。 小功率脉冲变压器要求铁芯的起始脉冲磁导率高； 损耗小。材质Bs(T)在钢(0 08)1U51 I铁氧体铁基非晶| .i纳米晶|I (IT, 3ms)I 20009000AB (T)3.83II 10002000 I I 0.2I 2.5
11、I 10v20适用频率适用功率400血大5kHz大中300kHz小10kHz大中2050kHz中铁氧体磁芯的电阻率高、频率范围宽、成本低，在小功率脉冲变压器中应用较多，但其AB和“P均较低，温度稳定性差，一般用于对顶降和后沿要求不高的场合。（三）.电感器磁芯铁芯电感器是一种基本元件，在电路中电感器对于电流的变化具有阻抗的作用，在电子 设备中应用 极为广泛。对电感器的主要要求有以下几点： 在一定温度下长期工作时，电感器的电感量随时间的变化率应保持最小； 在给定工作温度变化范围内，电感量的温度系数应保持在容许限度之内； 电感器的电损耗和磁损耗低； 非线性歧变小； 价格低，体积小。电感元件与电感量L
12、、品质因素Q、铁芯重量W、绕线的直流电阻R有着密切的关系。电感L抗拒交流电流的能力用感抗值ZL来表示：ZL = 2/rfL,频率f越高，感抗值ZL越大。电感L与铁芯的关系为：L =4N2“ SK /I）x 10-9 , K为铁芯的填苑系数，S为铁芯的截面积，I）为铁芯的平均直径，/为铁芯的磁导率，N为绕组匝数。电感中的磁能密度为：dw二/zHin2 / 8兀电感铁芯的品质因素为：Q=wL /R = 8zrN2f/zS /RD x 10-9在铁芯体积一定的情况下，要获得储能大的铁芯，应选恒导磁范围大的材料，即Hni大的材料；要获 得高品质因素的铁芯，应选导磁率大的材料；要缩小铁芯体积和重量，应选
13、 大、fl大的材料。电感器最常用的有电源滤波扼流圈和交流扼流圈（包括电感线圈）。电源滤波扼流圈用于平滑整流后 的直流成分，减小其波纹电压，以得到平稳的直流电。滤波器一般都是在交直流 叠加的状态下工作。利用 电感元件对交流电的抵抗作用使交流电压大部分降落在电感上。要 求电感器在很大的直流磁场范围内具有 较大的恒电感量，以及较小的直流电压降。交流扼流圏用于交流回路中，作为平衡、镇流、限流和滤波等感性元件来使用。交流扼流圈工作于交 流状态，无直流磁化，铁芯中磁感应强度的确定取决于负载电流。电感线圈多数用于高频电路中，如滤波器用电感线圏、振荡回路电感线圏、陷波器线圈、高频扼流圈、 匹配线圈、噪音滤波线
14、圈等。多数工作于交流状态，铁芯以铁氧体磁芯使用最 多。适用于电感铁芯的材料有多种：铁氧体、铁粉芯、坡莫合金粉芯、FeSiAl粉芯、硅钢、非晶合金等。 非晶扼流圈是用非晶带材制成的现代化的器件。用铁基非晶制成的铁芯与铁粉芯、MPP或硅钢片铁芯相比， 可以具有较小的器件尺寸和低的温升。铁基非晶合金制成的输 出扼流圏铁芯的直流偏磁特性与 Mn-Zn 铁氧 体铁芯特性的比较示于图。设定电感值为同一 值，而且橫坐标以铁氧体为基准，电感值减少一半时的偏磁 电流规定为 1。非晶扼流圈铁芯 直至很高的电流值仍显示出恒定的电感值，清楚的表示出饱和磁通密度之 差。同样也可反映 出铁芯的尺寸。对于相同电气规格的扼流
15、圈来说，可以做到非晶合金的体积为铁氧体的 一半。扼流圈用铁芯须具有高饱和磁通密度，而且如果考虑到实际环境，高温时仍必须保持高饱和 磁通密度。非 晶扼流圈铁芯的饱和磁通密度的温度特性与铁氧体铁芯的比较示于图所示。可 以看出，非晶扼流圈铁芯因其居里温度高，直到150 （的温度范围内，饱和磁通密度的减小 级小，温度特性良好。50D电0 51 0 01 5凰度（C）II附做氧体挺流圈的H流偏磁特性及饱和磁迪密皮的温皮持性硅钢片（厚 0. 05min）也用于作为输出扼流圈的高饱和磁通密度材料。表示出了用非晶扼 流圈组装 的开关频率为20kHz、100kHz、250kHz的开关电源，在加上10A的直流输出负载的条件下的电源效率和铁 芯的温升，并与硅钢片扼流圈作了比较。非晶扼流圈与硅钢片扼流圈相比，电源效率提高1.5-6. 5%；铁 芯的温升降低20-30C在高频条件下，这一差异尤其 明显。由此可见，非晶扼流圈可以解决铁氣体和硅 钢的技术难点，适用于开关电源的高频化 要求的输出扼流圈的位置材料120klk100kHz250 kHz效率(%)温开C C)效
