1、开关变换器建模、控制和设计第六章磁性元器件设计2014/12/31BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关变换器建模、控制和设计L电感和变压器2014/12/31 2NP NS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开关变换器建模、控制和设计目录2014/12/31 36.1 基本知识6.2 高频变压器设计第六章 磁性元器件设计6.3 电感设计BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关变换器建模、
2、控制和设计目录2014/12/31 46.1 基本知识6.2 高频变压器设计第六章 磁性元器件设计6.3 电感设计BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关变换器建模、控制和设计 基本参数 磁性材料 磁路基本定律 电导体的设计6.1 基本知识2014/12/31 5BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关变换器建模、控制和设计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2014/12/31 6BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关变换器建模、控制和
3、设计基本参数2014/12/31 71) 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中的磁力线总和，即 BSf/HB m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开关变换器建模、控制和设计基本参数2014/12/31 82) 磁导率 m绝对磁导率 真空磁导率相对磁导率等效磁导率70 4 1 0 /Hmm /BHm 0/rm m mL：线圈自感、 N：线圈匝数Ae：磁芯截面积、
4、l：磁路长度72 104 ee AlNLm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 JIAOTONG UNIVERSITY开关变换器建模、控制和设计基本参数2014/12/312)磁导率 m初始磁导率最大磁导率增量磁导率HBHi 00 lim1 mm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 mmBHm表示该点附近磁感应强度随磁场强度变化的情况。9BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关变换器建模、控制和设计基本参数2014/12/31
5、 105) 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。 )(1 1212112 TTTTa u mmm温度在 T1 T2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/LA L NBEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关变换器建模、控制和设计 基本参数 磁性材料 磁路基本定律 电导体的设计6.1 基本知识2014/
6、12/31 11BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关变换器建模、控制和设计磁性材料2014/12/31 121) 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) 磁芯的选择；BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关变换器建模、控制和设计2014/12/31磁性材料131) 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 Coerci
7、ve 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开关变换器建模、控制和设计磁性材料2014/12/31 14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开关变换器建模、控制和设计磁性材料2014/1
8、2/31 152) 加气隙后磁滞回线的变化 0001ccrc r c rrrccBBI N H l H lBl H lHllm m mm m mmm 等效磁导率 1111rcrerrcclllmmm mm 剩余磁感应强度00*cr e c clB H Hm m mBEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关变换器建模、控制和设计磁性材料2014/12/31 163) 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开关变换器建模、控制和设计磁性材料2
9、014/12/31 174) 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开关变换器建模、控
10、制和设计磁性材料2014/12/31 18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 (KoolMm)、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) 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开关变换器建模、控制和设计2014/12/31 19软 磁性材料4) 磁性材料的分类磁性材料BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关变换器建模、控制和设计2014/
11、12/31 20磁性材料软 磁性材料4) 磁性材料的分类BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关变换器建模、控制和设计2014/12/31 21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 JIAOTONG UNIVERSITY开关变换器建模、控制和设计磁性材料2014/12/31 22大分类 主分类 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) 50kHz
12、100kHz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) 磁性材料的分类BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关变换器建模、控制和设计磁性材料2014/12/31 23TOROIDAL MagneticsTOROIDSOLID CENTER POST RM CORE4) 磁性材料的分类 软 磁性
13、材料BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关变换器建模、控制和设计磁性材料2014/12/31 24 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
14、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意点4) 磁性材料的分类BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY开关变换器建模、控制和设计磁性材料2014/12/31 255)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
15、 . 6TmP f B V 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：TmP f B V 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开关变换器建模、控制和设计磁性材料2014/12/31 26磁芯损耗的温度特性 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 UNIVERSIT
16、Y开关变换器建模、控制和设计磁性材料2014/12/31 27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开关变换器建模、控制和设计磁性材料2014/12/31 286) 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
17、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开关变换器建模、控制和设计磁性材料2014/12/31 29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开关变换器建模、控制和设计 基本参数 磁性材料 磁路基本定律 电导体的设计6.1 基本知识2014/12/31 30
