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开关电源中的磁芯元件 南京航空航天大学 周洁敏 Jieminzh@nuaa.edu.cn 专题1 磁的基本概念 专题4 开关电源中常见的磁性材料 专题6 变压器损耗及热设计 专题3 开关电源中磁性材料的基本参数 专题2 电路中的磁元件 专题5 变压器中的分布参数及线圈 专题10 高频变压器设计 专题11 高频变压器设计实例 专题9 反激变压器电感设计举例 专题8 直流滤波电感设计 专题7 磁芯的工作状态 电感设计 开关电源中的直流输出滤波电感或能量传递电感一般是在带气隙的铁芯上绕线圈构成的，设计电感的任务就是在满足给定性能指标的情况下，确定最好的铁芯结构、最小的几何尺寸、恰当的绕组匝数、导线截面积和气隙长度等。 限制参数 （1）直流平均电流 （2）纹波电流 （3）直流铜耗 确保电感器流过峰值电流时不饱和 拓扑决定电路参数 工作频率决定磁芯 最大磁密和最大磁通摆幅 粗选磁芯形状和尺寸 决定损耗限制 计算匝数 计算气隙长度 计算导体尺寸和线圈电阻 计算线圈损耗，总损耗和温升 电感设计步骤 根据拓扑决定电路设计参数 1、电感量L由纹波决定； 2、满载直流电感电流的平均值决定磁芯的直流工作点； 3、最大纹波电流的要求就是电感量的要求； 4、最大峰值短路限制电流ISP，限制了最大磁密； 5、最大允许损耗和温升就是损耗计算，主要是直流损耗，交流损耗较小。 电感设计前的知识准备 磁环：Toroid core 铁粉芯材料，颜色 表示不同的牌号 硅钢silicon steel 适合做电感的磁芯 铁氧体 ferrite 铁粉芯 iron powder 铁硅铝FeSiAl Kool Mu，sendust 高通磁粉芯High Flux MPP铁镍钼磁粉芯 坡莫合金permalloy 非晶合金amorphous 磁粉芯 开气隙的磁芯 电感不同于变压器，要储存能量，开气隙和 用磁粉芯的目的就是可以储存足够的能量。 设计流程图 举例输出滤波电感 【例题1】 电流连续输出滤波电感设计 （1）设计参数：5V/50A正激变换器的输出滤波电感。 滤波电感电压范围：13.35-25.33V 输出：5V 满载电流I0：50A 电路拓扑：正激变换器 开关频率f:200kHz 最大占空度：0.405（Uimin） 电感量L=2.2微亨 最大损耗：2.5W 最大温升：40℃ 冷却方式：自然对流 最小占空度：0.213（Uimax） 最大纹波电流：50*20%=10A 最大峰值电流ISP=65A （2）应用制造厂手册选择磁芯材料 磁芯材料：如：铁氧体3C90 国内外生产磁性元件的厂家 PHILIPS TDK SONY 南京精研磁性科技有限公司 浙江海宁天通公司 SIMENS 南京898厂 金宁无线电器材厂 MICROMENTALS MAGNETICS PHILIPS 铁氧体3C90 MnZn铁氧体 材料特性 典型B/H曲线 初始磁导率随 温度变化曲线 幅值磁导率随峰值 磁密变化曲线 增量磁导率 影响因素:直流磁场的大小,磁心的几何尺寸、形状、温度。 增量磁导率随磁场 强度的变化曲线 （3）决定磁芯最大磁通密度和最大磁通摆幅 Bmax=3000Gs=0.3T 最大磁通幅度取 短路时峰值电流限制最大磁通密度 最大磁通摆幅 最大电流纹波10A 最大峰峰值磁通摆幅对应于最大纹波电流 100°C功率比损耗 随峰值磁密和频 率的变化曲线 不同频率和峰值磁密比损耗随温度变化曲线 忽略二极管D1和 D2的导通压降。 电感L上的波形 主变 压器 纹波频率为200KHz 磁芯损耗近似 4mW/cm3远小于100mW/cm3 磁芯工作在Ipmax 时磁通接近饱和。 最大磁通摆幅 (4)选磁芯形状和尺寸 单线圈电感K1=0.03 满载电流50A 峰值电流65A L=2.2微亨 下面对系数K1做解释 K1W—初级铜面积/窗口面积 K1—假定线圈损耗比磁芯损耗大得多，自然通 风冷却下，电流密度取420A/cm2时的经验值。 K2—假定线圈损耗和磁芯损耗相等，电流密度 为292A/cm2,则K2=0.707K1。 各种系数与电感类型的关系 线圈窗口利用率 自然冷却 经验值K1 线圈损耗等于磁芯损耗 损耗不严重时 决定磁芯尺寸的AP法 Isp最大峰值短路电流 IFL初级满载电流有效值 K1—假定线圈损耗比磁芯损耗大得多，自然通 风冷却下，电流密度取420A/cm2时的经验值。 磁芯损耗严重时，损耗限制的磁通摆幅， 面积乘积公式为 初级电流变化量 最大磁 通密度摆幅 公式中的4/3次方说明： 磁芯尺寸增加，磁芯和线圈（产生损耗） 体积增加大于表面积（散热）的增加。 因此磁芯体积大的功率密度降低。 选择磁芯 查表得到磁芯参数 计算需要值 查表值 磁芯尺寸 带骨架的窗口数据 A