开关电源中的高频磁元件设计课件.ppt

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 * 4.2 磁性材料 常用的磁性材料 铁氧体 * 组成 一般是氧化铁和其它金属成分组成 材质特点 深灰色或黑色陶瓷材料，质地既硬又脆，化学稳定性好 优点 电阻率高 磁导率随频率的变化特别稳定 形状、种类丰富，应用方便 可广泛用于变压器电感等磁性器件的设计 缺点 饱和磁感应强度小 温度稳定性差 力学性能差、脆 4.2 磁性材料 磁粉芯 * 组成 是一种由几类材料复合而成的复合型铁芯 优点 由于是将磁性材料与非导磁材料粉末复合而成，相当于在铁芯中加了气隙，具有在较高磁场强度下不饱和的特点。 缺点 但其相对磁导率较低，通常在20～300之间，主要用于制作滤波电感，其结构以环形为主。 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 * 组成 由两类元素组成：一类是铁磁性元素（铁、钴、镍或者他们的组合），它们用来产生磁性；另一类是硅、硼、碳等，它们称为类金属，也叫做玻璃化元素，有了它们，合金的熔点比纯金属降低了很多，才容易形成非晶。 分类 铁基非晶合金；铁镍基非晶合金；钴基非晶合金；铁基纳米晶合金（超微晶合金）； 特点 电阻率可达120~150μΩ，为冷轧硅钢片的3倍，但远不如铁氧体； 电阻温度系数小，可以为零或负值； 居里温度高，可达350~700°C； 饱和磁密度高，可达1.2~1.6T，比铁氧体高得多； 形状规格 由于比较脆，所以一般都制成环形或比较简单的闭合式C型（近似矩形）铁芯。 一般都不开气隙，因为性能会变坏，导致损耗增加。 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。 * 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。 * 罐形 磁芯在外，线圈在内，减少EMI；内部线圈散热不良，温升高 E形 配对使用，用于各种变压器或和扼流圈 C形 免去环形绕线困难缺点，可用机械绕线 环形 主要用于脉冲变压器和宽带变压器 4.2 磁性材料 * 罐形 PQ形 EE形 EI形 U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 * 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 * 单相变压器 + – + – 一次 绕组 N1 二次绕组 N2 铁心 变压器的磁路 绕组 一次绕组 二次绕组 由高导磁硅钢片叠成 厚0.35mm 或 0.5mm 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 * 单相变压器 + – + – 一次 绕组 N1 二次绕组 N2 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 * 一次侧接交流电源，二次侧开路。 + – + – + – + – + – ??1 ? i0 ( i0N1) ? ??1 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 * 一次侧接交流电源，二次侧接负载。 + – + – + – ??1 ? ? ??1 i1 ( i1N1) i1 i2 ( i2N2) ??2 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。 ??2 i2 + – e2 + – e?2 + – u2 ??Z ? 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 * 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。 * 能量类型 形成原因 存在形式