电磁元件培训教材

电磁元件培训教材 电子工艺部 艾默生网络能源有限公司 目录 一 磁性的起源与分类 磁性的起源 磁性的分类与磁畴 磁性材料的特性参数及定义 二 软磁材料及应用 硅钢及铁镍合金 非晶态合金及超微晶 磁粉芯 铁氧体 三 电力电子磁性元件设计基础 电与磁的关系 电感的设计 变压器损耗的计算 变压器设计实例 目录 磁性的起源与分类 软磁材料及应用 电力电子磁性元件设计 磁性的起源与分类 磁性是物质的基本属性之一。 一切磁性都起源于电荷的运动 。 物质的磁性可分为弱、强磁性两大类 磁性起源 电子轨道磁矩 电子轨道磁矩 l=- lPl Pl为电子轨道角动量 l为轨道旋磁比 I=e/2me 磁性起源 电子 的自旋 磁矩 电子 的自旋 磁矩 S=- SPS Pl为 电子轨道角动量 S为 轨道 旋磁比 S=e/me 磁性起源原子磁矩 在铁磁物质中原子的总角动量一般属 L-S耦合， 即 PJ=PL+PS 原子有效磁矩 J为 L和 S平行与的 PJ分量： J= Lcos(Pl,PS)+ Scos(Pl,PS) 磁性材料的分类 物质按磁性分类 1 抗磁性 2 顺磁性 3 铁磁性 4 亚铁磁性 5 反铁磁性 磁性材料的分类 抗磁性 特点： 无原子磁矩（不考虑核磁矩） 感生磁场方向与磁化场方向相反， 磁化率 0， 约为 10-5数量级 磁性材料的分类 顺磁性 特点： 有原子磁矩 感生磁场方向与磁化场方向相同 磁化率 0， 约为 10-3 10-6数量级 磁性材料的分类 铁磁性 特点： 物质内部有自发磁化现象，有磁畴。 磁化率 0， 约为 101 106数量级。 当温度高于居里温度时，铁磁性物质变为顺磁 性，并服从居里外斯定律 C/(T-Tp) Tp为铁磁性物质的顺磁居里温 度 磁性材料的分类 铁磁性 到目前为止，只有铁、钴、镍、钆、铽、镝、 钬、铒、铥纯元素有铁磁性 只有铁（ 1044K）、 钴（ 1388K）、 镍（ 627.4K ）、 钆（ 293.4K） 在摄氏零度以上有铁磁性。 磁性材料的分类 亚铁磁性 特点： 物质内部有自发磁化现象，有磁畴。 磁化率 0， 约为 100 104数量级。 亚铁磁性材料一般为铁氧体， 有两套或两套以上次晶格。 在两个次晶格上的原子磁矩取向相反。 亚铁磁性为强磁性。 磁性材料的分类 反铁磁性 特点： 物质内部有自发磁化现象，反铁磁性为弱磁性。 有两套次晶格。 两个近邻原子磁矩取向相反，大小相同。 自发磁化强度为零。 磁性材料的分类 反铁磁性 在相变温度 TN以上，反铁磁性物质表现出类 似顺磁性特点，磁化率随温度的变化符合居里 外斯定律。 当温度小于 TN， 磁化率随温度降低而减少，并逐 渐趋于定值。 磁性材料的分类强磁材料 强磁材料分类 1 软磁 2 硬磁 3 旋磁 4 矩磁 5 压磁 磁畴 为使体系能量减小，有限大的物质通常被分成若干小的区 域，不同的区域自发磁化方向不同。在无外加磁场的情 况下，体系总的磁矩趋于相互抵消。这些小的区域称为 磁畴。在外磁场下，由于畴壁的移动或畴内自发磁化方 向的改变而通常表现出很强的磁性。 磁性材料特性参数及定义 1 饱和磁感应强度 Bs 随磁芯中磁场强度的增加，磁感应强度 B出现饱和时的 值，称为饱和磁感应强度 Bs。 B=0（ H+M） 2 剩余磁感应强度 Br 磁芯从 饱和状态去除磁场后，剩余的磁感应强度。 3 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 Hc。 4 起始磁导率 i、 振幅磁导率 a、 增量磁导率 D和有效磁 导率 e 磁导率定义为磁感应强度 B与磁场强度 H的比值 =B/ 0H 当交流磁场的振幅趋近于零时，所得到的磁导率称为起始磁 导率；如果交变磁场的振幅比较大，所得到的磁导率称为 振幅磁导率； 处于退磁状态的材料，在直流偏磁场和振幅较小的交变磁场 同时作用下，形成一个不对称的局部磁滞回线，此局部磁 滞回线的斜率与 1/0的乘积称为增量磁导率 含有气隙的磁芯的磁导率称为有效磁导率，用 e表示 5 居里温度 Tc 磁芯由铁磁性（亚铁磁性或反铁磁性）转变成顺磁性的 温度称为居里温度。在 m-T曲线上， 80% max与 20%max连 线与 =1的交叉点相对应的温度，即为居里温度 Tc。 6 温度系数 m 温度系数为温度在 T1和 T2范围内变化时，每 1 相应磁 导率的变化量，即 m =（ 2 - 1 ） /1 （ T2-T1） （ T2T1） 式中 1 温度为 T1时的磁导率； 2 温度为 T2时的磁导率。 7 减落 减落（ D） 是指材料在交变磁场中经过中性化后，在未受任 何机械和热干扰的情况下，起始磁导率 i 随时间而降低 ，最后趋于稳定的可逆的时间效应。减落系数 d定义为： D =（ （ t1) (T2) ） (T1) log （ t1) ） 其中， t1=60S， t2=600S。 8 磁晶各向异性 磁晶各向异性是指磁矩相对于晶轴不同方向时能 量不同的现象。目前认为铁氧体产生磁晶各向异性的原 因是电子自旋 -轨道的耦合与晶体电场的联合效应。 磁晶各项异性常数的绝对值通常是随温度的升高而减小 。里在居里温度附近，由于 K1值比饱和磁化强度更快地趋 于零，大多数磁性材料的磁导率将呈现峰值。对于开关 电源用 MnZn铁氧体，人们通过控制 Fe2+的浓度来控制 K1=0 的温度，从而控制 miT曲线第二峰的位置，即控制磁芯 损耗最低点温度 TP值。 9 磁致伸缩 磁性体磁化状态的变化引起其形状、尺寸改变的现象称 为磁致伸缩效应。 在开关电源中磁致伸缩效应容易引起机械噪声和电磁噪 声，应设法避免。 10 损耗因数 tan/i 磁芯的损耗由三部分组成： （ 1）磁滞损耗；（ 2）涡 流损耗；（ 3)剩余损耗。 在弱磁场下 磁滞损耗比较小，可以忽略。因此通常用 tan/i 表示包括 涡流损耗和剩余损耗的磁芯损耗。 11 截止频率 fr 截止频率是软磁材料能够应用的频率范围的重要标志。 表 1.1 几种常用铁氧体材料的截止频率 fr与使用频率 f 材料种类 MnZn MnZn NiZn NiZn NiFe2 2000 800 400 60 起始磁导率 2000 800 400 60 11 截止频率 fr 2.5 6.0 8.0 150 200 （ MHz） 使用频率上限 0.5 1.0 2.0 25 50 30 (MHz) （ tan 0.1） 目录 磁性的起源与分类 软磁材料及应用 电力电子磁性元件设计基础 硅钢 l 硅钢是立方晶系的多晶体金属合金，硅钢片的性能受硅 含量、杂质（ C、 O、 S、 Mn、 P等）、晶粒取向、应力、 晶粒尺寸、钢片厚度、钢片表面质量等七个因数的影响 ，提高硅钢片性能有三条主要措施：改变晶粒结构、调 整硅含量和减少带材厚度。硅钢片又称电工钢板，按其 制造工艺可分为热轧电工钢（含硅 2%-4.5%）、冷轧无 取向硅钢（含硅 0.5%-3%）和冷轧取向硅钢（含硅约 3% ）。 l 硅钢片的工作频率一般不超过 400Hz， 主要用各类电力变 压器、配电变压器、电机、各类电子系统和家用电器中 的中小功率低频变压器、扼流圈、电感器、电抗器中。 铁镍合金 定义：含镍量在 30%-90%范围内，又称坡莫合金，主要形状 为带材， 主要特点：在弱、中磁场下有很高的磁导率和极小的矫顽力 ，加工性能好，有较好的防锈性能；经过特定的加工， 可获得很好的磁性能。 1J50材料主要用于 400Hz-8000Hz的 100瓦以下的变压器； 1J79材料适合于低电压变压器、漏电保护开关铁芯、共模 电感铁芯及电流互感器铁芯； 1J85材料适合于作弱信号的低频或高频输入输出变压器、 共模电感及高精度电流互感器等。 非晶态合金及超微晶合金 定义 ： 非晶态合金的原子排列长程无序、短程有序、无 晶粒、晶界。非晶态合金的结构与玻璃结构相似，也称 为金属玻璃。 性能：有优异的软磁性能，机械强度高、硬度高、韧性好 、耐腐蚀、耐磨性好，电阻率较高。 常用的非晶态合金有铁基、铁镍基、钴基合金三大类。 非晶合金薄带的制作 非晶磁芯的加工 非晶态合金及超微晶合金 铁镍基非晶态合金 特点：中等饱和磁感应强度（ 0.8T）， 较高的初始磁导率 和最大磁导率，高的机械强度和优良的韧性，在中低频 率下铁损低，经磁场退火后可得到很好的矩形回线。 应用；替代 1J79， 广泛用于漏电开关、精密电流互感器、磁 屏蔽等。 非晶态合金及超微晶合金 钴基非晶态合金 特点：饱和磁感应强度为 0.5T-0.8T,饱和磁致伸缩系数为零 ，对应力不敏感，初始磁导率高（ 10kHz， 100k以上） 和 最大磁导率（ 100万），矫顽力低，高频损耗低，机械强 度高、韧性好、耐磨性好，价格高。 应用：开关电源 、磁放大器、脉冲变压器、磁头、磁屏蔽 、传感器等。 非晶态合金及超微晶合金 超微晶 非晶态材料经过热处理后获得直径为 10-20纳米的微晶， 称为超微晶或纳米晶材料。铁基超微晶合金（ FeNbCuSiB 合金）具有优异的综合磁性能，磁感应强度为 1.2T ， 初 始磁导率为 80000，矫顽力为 0.32A/m， 电阻率为 80微欧 厘米。 适用频率： 50Hz-100kHz， 最佳频率； 20kHz-50kHz。 非晶态合金与超微晶特性 非晶态合金与超微晶特性 磁粉芯 磁粉芯是由颗粒直径很小（ 0.55mm） 的铁磁性粉粒与 绝缘介质混合压制而成的磁芯，一般为环形，也有压制 成 E形的。磁粉芯的电磁特性取决于金属粉粒材料的导磁 率、粉粒的大小与形状、填充系数、绝缘介质的含量、 成型压力、热处理工艺等。 磁粉芯工艺 磁粉芯 磁粉芯主要用于电感铁芯，由于金属软磁粉末被绝缘材料 包围，形成分散气隙，大大降低了金属软磁材料的高频 涡流损耗，使磁粉芯具有抗饱和特性与宽频响应特性， 特别适用于制作谐振电感、功率因数校正电感、输出滤 波电感、 EMI滤波器电感等。 常用磁粉芯简介 常用磁粉芯主要有 铁粉芯 铁硅铝粉芯 高磁通量（ High Flux） 粉芯 坡莫合金粉芯（ MPP） 磁粉芯主要形状 环型、 E型 常用磁粉芯简介 常用磁粉芯简介 铁粉芯 构成：羰 基铁磁粉及树脂羰基铁磁粉。 使用注意要点 ： 在高于 75 的大功率应用中，由于有机成 分的老化而引起电感和品质因数的永久性降低，降低的 程度取决于时间、温度、磁芯大小、频率和工作磁通密 度， 主要用途：各种电源的输入、输出滤波电感、功率因数校正 器等，使用频率可达 100kHz。 常用磁粉芯简介 铁粉芯 材料： 2、 8、 18、 26、 28、 33、 38、 40、 45、 52 颜色 ：一般为双色，有：红 /清 、 黄 /红 、 绿 /红、 黄 /白、 灰 /绿、灰 /黄、灰 /黑、绿 /黄、黑 /黑、绿 /蓝 磁导率： 10、 35、 55、 75、 22、 33、 85、 60、 100、 75 常用磁粉芯简介 铁硅铝粉芯 典型成： 9%Al、 55Si、 85%Fe。 特点：由于在纯铁中加入了硅和铝，使材料的磁滞伸缩 系数接近零，降低了材料将电磁能转化为机械能的能力 ，同时也降低了材料的损耗，使铁硅铝粉芯的损耗比铁 粉芯的损耗低。比铁粉芯具有更强的抗直流偏磁能力。 由于不含有机成分，铁硅铝粉芯不存在老化问题，工作 温度可达 200 ，铁硅铝粉芯的饱和磁感应强度在 1.05T 左右 磁导率： 26、 60、 75、 90、 125。 铁硅铝粉芯材料特性 铁硅铝粉芯的磁通密度 铁硅铝粉芯的温度特性 铁硅铝粉芯的直流叠加特性 铁硅铝粉芯磁导率随交流磁通变化特性 铁硅铝粉芯磁导率频率特性 常用磁粉芯简介 高磁通量（ High Flux） 粉芯 成分： 50%Ni、 50%Fe 饱和磁感应强度 :1.4T左右 磁导率有 14、 26、 60、 125、 147、 160 特点：是磁粉芯中具有最强抗直流偏磁能力的材料，磁芯 损耗与铁粉芯相近，比铁硅铝大许多。 用途：主要用在高 DC偏压、大直流电和低频交流电路中 ，也用于线路滤波器、交流电感、输出电感、功率因数 校正电感等。 HF材料特性 常用磁粉芯简介 钼坡莫合金粉芯 MPP 成分： 81%Ni、 2%Mo、 19%Fe 饱和磁感应强度：约为 0.75T 磁导率： 14、 26、 60、 125、 147、 160、 173、 200、 300、 550 特点：磁滞伸缩系数接近零，温度稳定性极佳，磁芯损耗 低，抗直流偏磁能力仅次于铁硅铝粉芯， 用途：主要用于高品质因数滤波器（ 300kHz以下）、感 应负载线圈、谐振电路、对温度稳定性要求高的 LC电路 、输出滤波电感、功率因数补偿电感等。 MPP材料特性 Permeability（ ） 14 26 60 125 147 160 173 200 300 550 vs T dynamic range （ -50 to +100 ） Painted core usable to 200 Curie Temperature =450 0.6% 0.6% 0.6% 0.6% 0.6% 0.6% 0.6% 7.0% vs B dynamic range 50 to 4000 guass （ peak at 1000 guass） 0.4% 0.4% 0.8% 1.4% 1.9% 2.5% 4.0% 20.0% vs F， flat to (MHz) 9 5 2.7 1 0.7 0.5 0.150 0.09 常用磁粉芯简介 电感磁芯损耗比较（设铁氧体的损耗为 1） 频率 10kHz 100kHz 500kHz 1MHz MPP粉芯 2 5 9 12 铁硅铝粉芯 2 9 18 20 非晶态合金薄 带 2 15 25 25 HF粉芯 5 15 40 40 铁粉芯 20-40 20-60 25-100 13-21 铁氧体材料 铁氧体材料的制备 （配料） （均匀混合，初步固相反应） （成型） （烧结） （整 形与检查） 铁氧体材料 铁氧体磁芯的压制 铁氧体材料 铁氧体材料的主要材料系列 锰锌、镁锌、镍锌、锂锌铁氧体 铁氧体材料的主要形状 E、 EI、 EC、 P、 T、 EP、 PQ、 RM 铁氧体材料 锰锌铁氧体 主要材料类别 功率铁氧体材料 高起始磁导率材料 宽频带高导材料 锰锌铁氧体 功率铁氧体材料 主要材料参数 起始磁导率 最大磁导率 单位体积磁芯损耗 饱和磁通密度 剩余磁通密度 矫顽力 居里温度 电阻率 密度 功率铁氧体材料特性 锰锌铁氧体 功率铁氧体材料 锰锌铁氧体 高起始磁导率材料 主要材料参数 起始磁导率 比损耗 起始磁导率温度系数 居里温度 饱和磁通密度 剩余磁通密度 矫顽力 磁滞损耗因子 减落 电阻率 密度 高起始磁导率材料 锰锌铁氧体宽频 高导材料 主要材料参数 起始磁导率 比损耗 居里温度 饱和磁通密度 剩余磁通密度 矫顽力 电阻率 密度 频率特性 宽频带高导材料 镍锌铁氧体 主要材料参数 工作频率 起始磁导率 比损耗 居里温度 饱和磁通密度 剩余磁通密度 矫顽力 电阻率 密度 镍锌铁氧体材料特性 Powder Cores, saturation DC Magnetizing Force (Oersteds) 1 10 100 1000 Per Unit of Initial Permeability 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Ferrite MPP Kool M High Flux 目录 磁性的起源与分类 软磁材料及应用 电力电子磁性元件设计 电与磁 磁动势（ MMF） 与电压 磁通密度与电流密度 磁阻 磁路原理 带气隙的电感示例 磁路示意 气隙的作用 电与磁的基本关系 l Magnetic field intensity H (A/m) l Flux density B = mH = m0(1+mr)H (T) l Magnetic flux l Self inductance l Reluctance Electromagnetic induction 电磁元件损耗机理 磁芯损耗机理 Total magnetic core losses are mainly a combination of hysteresis loss and eddy current losses Steinmetz constants, curve fit: x and y are material dependent 趋肤效应与趋近效应 l Skin effect is casued by eddy currents induced in a conductor by the time dep. current in that conductor l Proximity effect is casued by eddy currents induced in a conductor by the time dep. current in adjacent conductors Eddy currents Skin effect Proximity effect 趋近效应（ The Proximity Effect） Skin effect Proximity effect 趋近效应（ The Proximity Effect） 趋近效应（ The Proximity Effect） 趋近效应损耗估算 M层绕组总损耗 邻近绕组磁场的 MMF示意图 安培定律 MMF示意图 D 时 MMF示意图 多次夹绕时的 MMF 部分夹绕时的 MMF 单层的总的铜损 双绕组变压器的铜损的增加 双绕组变压器的总铜损 电感设计 共模磁芯选择 CM inductors l Use ferrite toroids l Use materials with m 10k due to freq.response l If size a problem, try amorphous/nanocrystalline cores 电感设计 差模磁芯选择 l Small power: use toroids of powder material Input DM: Iron powder due to price PFC: KoolMy, HighFlux, MPP Output: Iron Powder l Large power: consider ferrites due to price Be aware of airgap effects Be aware of temp dependence of saturation l Highest power: Use amorphous core due to space Be aware of airgap effects 磁芯材料长度比较 电感设计 导线材料 l Magnet wire + cheap, high utilization - not reinforced insulation l Cu-foil + best utilization, reinforced insulation if taped in two layers - can cause failures because of sharp edges etc. l Tripple insulated wire + reinforced insulation - bad utilization, expensive, limited in sizes l Litz and twist wire + excellent high freq performance - expensive, difficult in production, not reinforced ins. 电感设计 电路基础 Vac Look at the inductors in an AC/DC-converter l function l design l realization l material 电感设计 共模电感 l Function: attenuate the conducted CM-noise to mains through high impedance for f fsw high Z low Z 电感设计 共模电感 l Building High impedance high-i core Current compensation 2 windings toroid, no residual airgap high AL * isolation lindningarna p varsin halva av krnan E-core, residual airgap * isolation 2-section bobbin 电感设计 共模电感 RLDMLCM Cw Simple representation 电感设计 共模电感 Design CM inductance, LCM = ALN2 Heat, P = RI2 AL 电感设计 共模电感 Leakage inductance, L DM = NF/Ireciprocity increased DM-noise 电感设计 共模电感 Differential Flux can be estimated for normal wound CM-inductors (from Magnetics Inc.) l Permeability seen by differential flux is 20 (recall open path length of core) l Effective Area of differential path is 10 times core area, and path length is core path length l Can use Amperes Law to find H (A/m or Oe), and B = H (in Gauss if H in Oersteds) 电感设计 共模电感 Winding capacitance fres fres/2 fres fres 电感设计 PFC电感 l Function: Limit the current ripple Store energy Design Energy storage Inductance Core losses Winding losses Capacitance 电感设计 PFC电感 Energy Storage: PFC-inductors usually flux-limited (not loss-limited) The area product can be used to choose core size 电感设计 PFC电感 At peak of input voltage, wt = p/2: Ripple current through inductor: L Uin U DC DI D 电感设计 PFC电感 When core has been chosen (e.g. From WaAe) Ferrite or metal sheet core (assuming all energy in airgap) Toroid 电感设计 PFC电感 Core losses Winding losses 电感设计 PFC电感 Winding Capacitance increased DM-