第5章 磁性元件与电容元件 7.17.1 磁性材料的基本特征磁性材料的基本特征7.27.2 磁性材料中磁芯的三种不同工作状态磁性材料中磁芯的三种不同工作状态7.37.3 磁性器件在功率电路使用中注意的问题磁性器件在功率电路使用中注意的问题 7.47.4 电容元件电容元件 1 磁性元件磁性元件变压器变压器电感电感工频、中频、高频变压器工频、中频、高频变压器驱动变压器；驱动变压器；隔离变换器；隔离变换器；电流互感器电流互感器直流滤波电感；直流滤波电感；交流滤波电感；交流滤波电感；储能电感；储能电感；谐振电感；谐振电感；EMI抑制电感抑制电感2 磁性元器件磁性元器件——电感器和变压器电感器和变压器表征磁性元件的大多数参数表征磁性元件的大多数参数( (电感量，电压、电流处理能力，电感量，电压、电流处理能力，频率，匝比，漏感，损耗频率，匝比，漏感，损耗) )对制造商是无所适从的对制造商是无所适从的 所以很难从市场上购得标准的磁性元器件，电源设计工所以很难从市场上购得标准的磁性元器件，电源设计工作的大部分就是磁性元件的设计作的大部分就是磁性元件的设计 对磁性元器件理解与设计能力是目前电力电子工程师的对磁性元器件理解与设计能力是目前电力电子工程师的必备能力之一必备能力之一3 7.1 磁学基础磁学基础4 Magnetic field H and magnetomotive force F7.1 磁学基础磁学基础5 Flux density B and total flux Φ7.1 磁学基础磁学基础6 7.1 磁学基础磁学基础7 BS:饱和磁感应强度Br:剩余磁感应强度H Hc c: :矫顽力基本磁化曲线基本磁化曲线7.1 磁学基础磁学基础8 二、相对磁导率二、相对磁导率µr7.1 磁学基础磁学基础一、绝对磁导率一、绝对磁导率µ越大表明产生相同磁感应强度所需激磁越大表明产生相同磁感应强度所需激磁H H越小。
真空：越小真空： µ＝＝ µ0＝＝4 10-7H/m三、等效磁导率三、等效磁导率µe9 最大磁导率最大磁导率µmμr值是随磁场强度变化的曲线在某一磁场强度下，相对磁值是随磁场强度变化的曲线在某一磁场强度下，相对磁导率达到最大值，称为最大磁导率导率达到最大值，称为最大磁导率μm 初始磁导率初始磁导率µi当激励磁场强度当激励磁场强度H→0时的磁导率称为初始磁导率时的磁导率称为初始磁导率μi：7.1 磁学基础磁学基础10 增量磁导率增量磁导率µ∆ 在一个直流磁场上叠加一个交流磁场时在一个直流磁场上叠加一个交流磁场时，，交流分量的交流分量的磁导率即为增量磁导率磁导率即为增量磁导率µ∆7.1 磁学基础磁学基础11 磁导率磁导率7.1 磁学基础磁学基础12 磁导率磁导率7.1 磁学基础磁学基础13 等效磁导率等效磁导率μe(磁路加气隙后的磁导率磁路加气隙后的磁导率)7.1 磁学基础磁学基础14 有效磁导率有效磁导率μe(磁路加气隙后的磁导率磁路加气隙后的磁导率)根据全电流定律有根据全电流定律有磁芯磁通密度磁芯磁通密度 Bc=Bδ 气隙磁通密度气隙磁通密度等效磁导率等效磁导率μe7.1 磁学基础磁学基础15 有效磁导率有效磁导率μe(磁路加气隙后的磁导率磁路加气隙后的磁导率) 合成磁化曲线的线性度比材料磁化曲线好得合成磁化曲线的线性度比材料磁化曲线好得多。
也就是说磁芯材料特性的非线性被磁阻大得多也就是说磁芯材料特性的非线性被磁阻大得多的线性气隙多的线性气隙“湮没湮没”了而且可通过改变气隙了而且可通过改变气隙的大小，方便地改变磁芯的有效磁导率其次，的大小，方便地改变磁芯的有效磁导率其次，由于气隙的去磁作用，磁芯的剩磁感应由于气隙的去磁作用，磁芯的剩磁感应(Br)大大大大下降了，这个性能对单向磁化应用非常有用下降了，这个性能对单向磁化应用非常有用7.1 磁学基础磁学基础16 磁性材料的损耗磁性材料的损耗铜损：集肤效应铜损：集肤效应铁损：磁铁损：磁滞损耗滞损耗和涡流损耗和涡流损耗磁磁滞回线包括的面积越大，损耗越大滞回线包括的面积越大，损耗越大材料的电阻率越大，损耗越大；材料的电阻率越大，损耗越大；工作频率越高，损耗越大工作频率越高，损耗越大7.1 磁学基础磁学基础17 7.2 电力电子电路中磁芯的三种典型工作状态电力电子电路中磁芯的三种典型工作状态Ⅰ类工作状态－局部磁化（类工作状态－局部磁化（Buck 变换器滤波电感磁芯）变换器滤波电感磁芯）18 7.2 磁芯的三种不同工作状态磁芯的三种不同工作状态Ⅰ类工作状态－局部磁化（类工作状态－局部磁化（Buck 变换器滤波电感磁芯）变换器滤波电感磁芯） 这类磁芯工作状态称为这类磁芯工作状态称为Ⅰ类工作类工作状态，也称为直流滤波电感工作状态。
状态，也称为直流滤波电感工作状态属于这类工作状态的电感还有属于这类工作状态的电感还有Boost 电感、电感、Boost/Buck 电感、正激、非电感、正激、非对称半桥以及所有推挽拓扑－推挽、对称半桥以及所有推挽拓扑－推挽、半桥和全桥变换器输出滤波电感磁芯，半桥和全桥变换器输出滤波电感磁芯，以及单端反激变换器的电感以及单端反激变换器的电感—变压器变压器磁芯19 7.2 磁芯的三种不同工作状态磁芯的三种不同工作状态Ⅰ类工作状态－局部磁化类工作状态－局部磁化特点特点1.1.工作在电流连续状态下工作在电流连续状态下, ,直流偏磁大直流偏磁大, ,交流分量小交流分量小, ,工作于局部工作于局部磁化曲线上磁化曲线上, ,磁芯的磁导率是局部磁芯的磁导率是局部( (增量增量) )磁导率由于只包围局磁导率由于只包围局部磁滞回线面积小，磁滞和涡流损耗都小因此选择尽可能高的部磁滞回线面积小，磁滞和涡流损耗都小因此选择尽可能高的饱和磁通密度材料，有利于减少这类磁芯的体积饱和磁通密度材料，有利于减少这类磁芯的体积2.2.由于含有较大的直流分量，因此在磁芯中产生很大的磁场强度由于含有较大的直流分量，因此在磁芯中产生很大的磁场强度H H，为了不使磁芯饱和，磁芯的磁导率不应当太高，即采用宽恒，为了不使磁芯饱和，磁芯的磁导率不应当太高，即采用宽恒磁导率材料。
如果采用高磁导率的磁芯，通过在磁路中添加气隙磁导率材料如果采用高磁导率的磁芯，通过在磁路中添加气隙减少磁导率，这时的磁导率为有效磁导率减少磁导率，这时的磁导率为有效磁导率μμe e，并可通过气隙的，并可通过气隙的大小改变有效磁导率大小改变有效磁导率20 7.2 磁芯的三种不同工作状态磁芯的三种不同工作状态Ⅱ类工作状态－单向磁化（正激变换器变压器）类工作状态－单向磁化（正激变换器变压器）21 7.2 磁性材料中磁芯的三种不同工作状态磁性材料中磁芯的三种不同工作状态Ⅱ类工作状态－单向磁化（正激变换器变压器）类工作状态－单向磁化（正激变换器变压器） 这类磁芯工作状态与滤波电感磁芯相似，都是单向磁化这类磁芯工作状态与滤波电感磁芯相似，都是单向磁化不同之处在于当晶体管导通时，正激变压器磁芯从零磁场强不同之处在于当晶体管导通时，正激变压器磁芯从零磁场强度单方向磁化到磁感应最大值；当晶体管截止时，磁芯恢复度单方向磁化到磁感应最大值；当晶体管截止时，磁芯恢复到零磁场强度对应的磁感应值如果不能回到导通时的磁芯到零磁场强度对应的磁感应值如果不能回到导通时的磁芯初始磁化值，磁芯将逐渐磁化到初始磁化值，磁芯将逐渐磁化到±±BSBS。
磁芯工作磁化曲线如磁芯工作磁化曲线如图图5-5(c)5-5(c)所示这类磁芯工作状态称为所示这类磁芯工作状态称为ⅡⅡ类工作状态或正激类工作状态或正激工作状态工作状态 属于这类工作磁芯状态的除了正激变换器的功率变压器属于这类工作磁芯状态的除了正激变换器的功率变压器外，还有脉冲驱动变压器，直流脉冲电流互感器等外，还有脉冲驱动变压器，直流脉冲电流互感器等22 7.2 磁芯的三种不同工作状态磁芯的三种不同工作状态Ⅱ类工作状态－单向磁化类工作状态－单向磁化特点特点(1)(1)磁芯工作在磁化曲线的第一象限－单向磁化磁芯工作在饱和磁芯工作在磁化曲线的第一象限－单向磁化磁芯工作在饱和磁感应磁感应Bs Bs 和剩磁感应和剩磁感应Br Br 之间，之间，ΔΔB=BB=Bm m-B-Br r2)(2)磁化电流从零开始，不参与能量传输，磁化电流从零开始，不参与能量传输， 并在晶体管截止时，还并在晶体管截止时，还要将其返回电源如果此电流大，由此引起的线圈铜损和晶体要将其返回电源如果此电流大，由此引起的线圈铜损和晶体管损耗就大因此，应当尽可能采用剩磁感应小，而高磁导率管损耗就大因此，应当尽可能采用剩磁感应小，而高磁导率的材料，减少磁化电流。
在功率变换器中，为减少变压器的体的材料，减少磁化电流在功率变换器中，为减少变压器的体积，在损耗允许的情况下尽量选择较高的磁通密度变压器磁积，在损耗允许的情况下尽量选择较高的磁通密度变压器磁芯常留有一个很小气隙，使得芯常留有一个很小气隙，使得B Br r 大大降低，以增大磁感应摆幅大大降低，以增大磁感应摆幅尽管激磁电流有所增加，但提高了尽管激磁电流有所增加，但提高了ΔΔBmBm，减少磁芯体积总之，，减少磁芯体积总之，这类磁芯应选择高有效磁导率这类磁芯应选择高有效磁导率µe e，高，高B Bs s，低，低B Br r 材料23 7.2 磁芯的三种不同工作状态磁芯的三种不同工作状态Ⅲ类工作状态－类工作状态－双向双向磁化（推挽型、全桥变换器变压器）磁化（推挽型、全桥变换器变压器）24 7.2 磁芯的三种不同工作状态磁芯的三种不同工作状态Ⅲ类工作状态－类工作状态－双向双向磁化（推挽型、全桥变换器变压器）磁化（推挽型、全桥变换器变压器）25 7.2 磁芯的三种不同工作状态磁芯的三种不同工作状态Ⅲ类工作状态－类工作状态－双向双向磁化（推挽型、全桥变换器变压器）磁化（推挽型、全桥变换器变压器）26 7.2 磁芯的三种不同工作状态磁芯的三种不同工作状态Ⅲ类工作状态－类工作状态－双向双向磁化（推挽型、全桥变换器变压器）磁化（推挽型、全桥变换器变压器）27 7.2 磁芯的三种不同工作状态磁芯的三种不同工作状态Ⅲ类工作状态－类工作状态－双向双向磁化磁化特点特点(1)(1)磁芯的磁感应在磁芯的磁感应在±±B Bm m 变化，在半周期内变化变化，在半周期内变化2 2B Bm m。
在损耗允许的情在损耗允许的情况（低频）下，一般取况（低频）下，一般取B Bm m< >100kHz100kHz））应用时饱和磁感应强度高低是无关紧要的应用时饱和磁感应强度高低是无关紧要的。
28 7.2 磁芯的三种不同工作状态磁芯的三种不同工作状态Ⅲ类工作状态－类工作状态－双向双向磁化磁化特点特点(1)(1)磁芯的磁感应在磁芯的磁感应在±±B Bm m 变化，在半周期内变化变化，在半周期内变化2 2B Bm m在损耗允许在损耗允许的情况（低频）下，一般取的情况（低频）下，一般取B Bm m<
因此高频时，因此高频时，ⅢⅢ类与类与ⅡⅡ类工作状态磁芯尺寸差别不大类工作状态磁芯尺寸差别不大对于大多数材料，在高频（对于大多数材料，在高频（>100kHz>100kHz）应用时饱和磁感应强度）应用时饱和磁感应强度高低是无关紧要的高低是无关紧要的3)(3)对于工作在对于工作在ⅢⅢ类的磁芯材料应具有高电阻率类的磁芯材料应具有高电阻率ρρ，低的，低的B Br r 或或H HC C，或两者都小，以及高的饱和磁感应，或两者都小，以及高的饱和磁感应B BS S此外，为了减少磁芯此外，为了减少磁芯存储能量，磁芯应当具有尽可能高存储能量，磁芯应当具有尽可能高μμ29 7.3 磁性器件在功率电路使用中注意的问题磁性器件在功率电路使用中注意的问题 (1)(1)磁导率要高磁导率要高(2) (2) 要求具有很小的矫顽力要求具有很小的矫顽力H Hc c和狭窄的磁滞回线和狭窄的磁滞回线(3) (3) 电阻率电阻率ρρ要高要高(4) (4) 具有较高的饱和磁感应强度具有较高的饱和磁感应强度B BS S考虑温度特性考虑温度特性30 7.4 电容元件电容元件功率电路中的电容元件作用：功率电路中的电容元件作用：储能要求：要求：1.1.容量大容量大2.2.承受电压高承受电压高3.3.最大充放电电流最大充放电电流31 7.4 电容元件电容元件特点：特点：工作在高频状态；不止一个频率工作在高频状态；不止一个频率符号符号高频等效电路高频等效电路32 7.4 电容元件电容元件等效阻抗：等效阻抗：阻抗特性阻抗特性阻性阻性33 7.4 电容元件电容元件一个常用的方法：一个常用的方法：大电容并小电容大电容并小电容470uF0.1uF无感电容无感电容34 7.4 电容元件电容元件电子电路中电容的电子电路中电容的功能功能：：隔直隔直，，耦合耦合，，旁路旁路，，滤波滤波，，调谐回路调谐回路，，能量转换能量转换，，控制控制电路等方面电路等方面标称容量以及允许偏差：标称容量以及允许偏差：目前我国采用的固定式标称容量系列是：目前我国采用的固定式标称容量系列是： E24E24，， E12,E6 E12,E6系列。
他们分别使用的允许偏差是系列他们分别使用的允许偏差是+-5% +-10% +-20%+-5% +-10% +-20%电容的频率特性电容的频率特性：：随着频率的上升，随着频率的上升， 一般电容器的电容一般电容器的电容量呈现下降的规律量呈现下降的规律电容器的电容器的击穿击穿电电压压：：电容器电容器正常漏导正常漏导的的稳稳定定状态被破坏状态被破坏的的电电压压35 7.4 电容元件电容元件电容器的绝缘电阻：电容器的绝缘电阻： 直直流流电电压加压加在电容上，在电容上， 并并产生产生漏导漏导电电流流，， 两者两者之之比比称称为绝缘为绝缘电电阻阻 当当电容电容较小时较小时，， 主要主要取决取决于电容的于电容的表表面面状态状态，， 容量容量〉〉0.10.1uf uf 时时，， 主要主要取决取决于于介质介质的的性性能电容的时间常数：为恰当为恰当的的评价评价大容量电容的大容量电容的绝缘情况绝缘情况而引入了时间而引入了时间常常数，他等于电容的数，他等于电容的绝缘绝缘电电阻与阻与容量的容量的乘积乘积电容的损耗因素： 电容在电场作用下因发热所消耗电容在电场作用下因发热所消耗的能量叫做损耗各类电容都规定了其在某频率范围内的的能量叫做损耗。
各类电容都规定了其在某频率范围内的损耗允许值，电容的损耗主要由介质损耗，损耗允许值，电容的损耗主要由介质损耗， 电导损耗和电电导损耗和电容所有金属部分的电阻所引起的容所有金属部分的电阻所引起的。