开关电源中的高频磁元件设计.ppt

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1、开关电源中的高频磁元件设计,1,参考文献,1 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计，电子工业出版社,第5章 磁性元件的特性与计算,2,2 赵修科.开关电源中磁性元器件,磁元件在开关电源中的作用当变压器使用电气隔离、能量传递、根据变比不同，实现升、降压电压、电流互感器多脉波整流当电感使用储能、滤波抑制电流尖峰，保护易受电流损坏的电子元器件实现开关管的软开关,4.1 磁性材料的概述,3,4.1 磁性材料的概述,磁元件设计的重要意义无标准商品化元件；优化函数多重;磁学基础差;实践和经验。磁性材料的磁化物质的磁化需要外磁场；被磁化的物质称为磁介质；将磁性材料放到磁场中，磁感应强度显著增大，磁场使得磁性

2、材料呈现磁性的现象称为磁性材料的磁化。,4,4.1 磁性材料的概述,磁性材料的磁化,5,铁磁材料之所以具有高导磁性，是因为在它们的内部具有一种特殊的物质结构磁畴。,铁磁材料内部的磁畴排列杂乱无章，磁性相互抵消，因此对外不显示磁性。,（a）无外磁场情况,磁畴因受外磁场作用而顺着外磁场的方向发生归顺性重新排列，在内部形成一个很强的附加磁场。,（b）有外磁场情况,铁磁材料内部往往有相邻的几百个分子电流圈流向一致，因此在这些极小的区域内就形成了一个个天然的磁性区域磁畴。,磁畴是怎么形成的？,4.1 磁性材料的概述,磁性材料的磁化,6,磁场是电流产生的，而电流总是被磁场所包围,右手定则,4.1 磁性材料

3、的概述,磁性材料的磁化过程,7,oa段是线性段，可逆,ab段是上升段，不可逆,bc段是磁化曲线的膝部,C点以后是饱和段,J 磁化强度；m0真空磁导率；H磁场强度。,曲线A m0HB JC A+B，初始磁化曲线,ab段反映了铁磁材料的高导磁性，磁导率可达102104，由软磁材料组成的磁路磁阻很小，在线圈中通入较小的电流即可获得较大的磁通。c点以后说明铁磁材料具有磁饱和性。B不会随H的增强而无限增强，H增大到一定值时，B不能继续增强。,4.1 磁性材料的概述,饱和磁滞回线,8,BS 饱和磁感应强度Br 剩余磁感应强度HC 矫顽力,将磁性材料沿磁化曲线OS 由完全去磁状态磁化到饱和Bs，如再将外磁场

4、H 减小，B 值将不再按照原来的初始磁化曲线（OS）减小，而是更加缓慢地沿较高的B 减小。即使外磁场H=0 时，B0。这种磁化曲线与退磁曲线不重合特性称为磁化的不可逆性。,磁滞现象,磁化的不可逆性,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。,4.1 磁性材料的概述,磁性材料的基本特性磁感应强度 B（磁通密度）表征磁场中某一点的磁性强弱和方向的矢量,9,方向：左手定则单位：特斯拉（T）、高斯（GS），1 GS=10-4 T,4.1 磁性材料的概述,磁通 f穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总和。,10,或,单位：韦伯（1Wb=1VS（伏秒）麦克斯韦（Mx）1 Wb=108 Mx,

5、4.1 磁性材料的概述,磁场强度 H在任何磁介质中，磁场中某点的磁感应强度B与同一点的磁导率的比值称为该点的磁场强度H。,11,单位：安培/米（A/m）、奥斯特（Oe）1 Oe=103/4（A/m）,4.1 磁性材料的概述,磁导率 m表征磁场中磁性能的物理量，可用来衡量磁介质导磁能力。磁导率在磁介质中不是常数。,12,（1）真空磁导率 m0,（2）初始磁导率mi 是磁性材料的初始磁化曲线始端磁导率的极限值，即,4.1 磁性材料的概述,（3）有效磁导率mr 在闭合磁路中，或多或多或少地存在着气隙，若气隙很小可以忽略，则可以用有效磁导率来表征磁芯的导磁能力。,13,L 线圈的自感量（mH）N线圈匝

6、数Ae 磁芯截面积（mm2）l 磁路长度(mm),（4）最大磁导率mm 磁导率中的最大值,（5）动态磁导率mm 在磁化曲线上各点切线的斜率，表示该点附近磁感应强度随磁场强度变化的情况。,4.1 磁性材料的概述,饱和磁感应强度 BS随磁芯中磁场强度H增加，磁感应强度出现饱和时的B值，称饱和磁感应强度BS。剩余磁感应强度 Br磁芯从磁饱和状态去除磁场后，剩余的磁感应强度或残留磁通密度。矫顽力 HC磁芯从饱和状态去除磁场后，继续反向磁化直至磁感应强度减小到零，此时的磁场强度称为矫顽力或保磁力。,14,4.1 磁性材料的概述,温度系数 am温度系数为温度在T1T2范围内变化时，温度每变化1，磁导率的相

7、对变化量。,15,m1 温度为T1时的磁导率m2 温度为T2时的磁导率,居里温度 TC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。,在m-T曲线上，80的mmax与20mmax连线与m=1的交差点相对应的温度，即为居里温度。,4.1 磁性材料的概述,磁芯损耗（铁损）PC磁芯在工作磁感应强度时的单位体积损耗，主要包括磁滞损耗(PH)、涡流损耗(PW)和残留损耗。工作磁感应强度BW,16,BW 工作磁感应强度（mT）US 线圈两端的电压（V）f 频率（kHz）Ae 有效截面积（mm2）,残留损耗是由磁化延迟及磁矩共振等造成，一般

8、可不考虑。,4.1 磁性材料的概述,磁滞损耗每次磁化所消耗的能量。,17,f 频率（kHz）Bm 最大磁通密度Kh 比例系数，因材质而异,注：磁滞损耗是不可恢复能量，转化为热能消耗掉。每磁化一个周期，就要损耗与磁滞回线包围面积成正比的能量，频率越高，损耗功率越大。在工作频率一定时，降低矫顽力可有效降低磁滞损耗。磁感应强度摆幅越大，包围面积越大，损耗也越大。,工程计算可用下式：,4.1 磁性材料的概述,涡流损耗是交变磁场在磁芯中产生环流引起的欧姆损耗。,18,d 密度，单位体积材料的质量r 磁芯的电阻率,注：涡流损耗取决于材料的截面尺寸和电阻率。在工作频率一定时，减小磁性材料厚度及提高其电阻率可

9、减小涡流损耗。为减少涡流损耗，可将低电阻率的磁合金材料碾轧成薄带，用相互绝缘的n 片薄带叠成相同截面积磁芯代替整块磁芯。,4.1 磁性材料的概述,电感系数 AL电感系数是磁芯上每一匝线圈产生的自感量。,19,L 磁芯线圈的自感量（H）N 线圈匝数,4.2 磁性材料,磁芯磁性能按磁滞回线宽窄，把磁性材料分为软磁性材料和硬磁性材料两大类。开关电源主要应用软磁材料。软磁材料特点：较高的磁导率在线圈匝数和外加电压一定时，很小的激磁电流就能有较高的磁感应强度，因此在输出一定功率要求下，可减小变压器体积磁芯矫顽力低磁滞回环面积小，磁芯磁滞损耗小高的电阻率磁芯涡流损耗小,20,4.2 磁性材料,常用的磁性材

10、料铁氧体,21,4.2 磁性材料,磁粉芯,22,4.2 磁性材料,非晶态合金非晶合金是近20年刚刚发展起来的一种新型磁性材料,23,4.2 磁性材料,磁芯的分类按使用时磁化过程所产生磁力线的路径，磁芯可分为开路磁芯和闭路磁芯两类。开路磁芯这类磁芯的磁路是开启的，通过磁芯的磁通同时要通过周围空间（气隙）才能形成闭合磁路。磁阻很大，磁路各个截面上的磁通不相等磁芯有效磁导率比初始磁导率有所降低IEC1332称开路磁芯为OP类磁芯。,24,4.2 磁性材料,闭路磁芯这类磁芯的磁路是闭合的或基本闭合的，IEC1332称闭路磁芯为CL类磁芯。,25,4.2 磁性材料,26,罐形,PQ形,EE形,EI形,U

11、形,EC形,磁芯的使用一定要在居里温度以内；综合考虑磁导率、脆度、硬度、温度稳定性等因素；最后考虑工作频率和噪声；铁氧体在磁场作用下，会使材料有收缩或膨胀现象，称为磁致伸缩现象。,4.2 磁性材料,27,如果把罐形磁芯外圆切掉一部分，或与其他形状的磁芯综合，则变成通风良好，解决罐形磁芯温升过高的问题。,EP形,4.3 高频变压器设计方法,变压器的基本原理 变压器的结构,28,铁心,变压器的磁路,绕组,一次绕组,二次绕组,铁心,变压器的电路,4.3 高频变压器设计方法,变压器的工作原理,29,铁心,一次、二次绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合。,4.3 高频变压器设计方法,空载运行,30,一次侧接

12、交流电源，二次侧开路。,空载时，铁心中主磁通是由一次绕组磁通势产生的。,4.3 高频变压器设计方法,带负载运行情况,31,一次侧接交流电源，二次侧接负载。,有载时，铁心中主磁通是由一次、二次绕组磁通势共同产生的合成磁通。,4.3 高频变压器设计方法,变压器设计一般问题变压器功能通过改变初级与次级匝比，获得 所需的输出电压增加多个不同匝数的次级，获得不同的多路输出电压变压器能方便地实现输入和输出之间的电气隔离,32,4.3 高频变压器设计方法,变压器的寄生参数及其影响理想变压器：不储存任何能量，所有的能量瞬时由输入传输到输出。实际变压器：储存一些不希望的能量。,33,4.3 高频变压器设计方法,

13、温升和损耗根据电源设计要求，将总损耗值分配到各损耗部件，得到变压器的允许损耗。变压器损耗使得线圈和磁芯温度提高。变压器损耗分为磁心损耗和线圈损耗两部分。,34,T 温升（）Rth 变压器热阻（/W）P 功率（W）,4.3 高频变压器设计方法,磁芯损耗磁芯损耗包括磁滞损耗和涡流损耗。磁芯磁滞损耗与频率和磁通摆幅有关。频率越高，损耗功率越大，磁感应摆幅越大，包围面积越大，损耗也越大。磁芯涡流损耗实际上即磁芯材料的电阻损耗I2R，与磁通变化率（变压器伏/匝）成正比线圈损耗线圈损耗包括直流损耗和高频损耗。,35,在200300kHz以下，磁滞损耗为主；在更高频率时，因为涡流损耗随频率平方上升，超过磁滞损耗。,4.3 高频变压器设计方法,窗口填充系数窗口填充系数定义为线圈铜占有的总面积与窗口面积之比。电压等级越高，环境愈恶劣，绝缘要求越高，绝缘占据的窗口面积愈大。导线形状不同，窗口利用不同。电路拓扑,36,