开关电源中的磁性元.ppt

基本磁学术语,磁场：（国际电工委员会IEC的定义）电磁场的组成部分，采用磁场强度H和磁通密度B表示其特征。（我国国家标准定义）磁场是一种场，其特征可在场内运动着的带电粒子所受的力来确定，这种力源于粒子的运动及其所带电荷。,基本磁学术语,剩磁Br、 UoMr或 4Mr ：永磁体从磁化至技术饱和并去掉外磁场后，所保留的Mr、UoMr或 4Mr或Br，分别称为剩余磁化强度，剩余内禀磁感应强度和剩余磁感应强度，它们统称为剩磁。 矫顽力：Hcb、 Hcj 使磁化至技术饱和的永磁体的B（磁感应强度）降低至零所需要的反向磁场强度称为磁感矫顽力，同理，使内禀磁感强度UoM或Mr降低至零所需的反向磁场强度称为内禀矫顽力。,基本磁学术语,最大磁能积：(BH)max 退磁曲线上任何一点的B和H的乘积即Bm、 Hm和（BH）代表了磁铁在气隙空间所建立的磁能量密度，即气隙单位体积的静磁能量，由于这项能量等于磁铁Bm与Hm的乘积，因此称为磁能积，磁能积随B而变化的关系曲线称为磁能曲线，其中一点对应的Bd和Hd的乘积有最大值，称为最大磁能积。,基本磁学术语,弯曲点Hk：通常将内禀退磁曲线上的点Bi=0.9Br相对应的磁场称为弯曲点磁场Hk，Hk越大意味着内禀退磁曲线的方形度越好。 剩磁温度系数（Br） 温度在某范围内变化时剩余磁感应强度可逆变化的百分数与温度变化度数的比值，称为剩余磁温度系数。 磁化强度矫顽力温度系数（Hcj） 温度在某范围内变化时，磁化强度矫顽力可逆变化的百分数与温度变化度数的比值。 居里温度：Tc 自发磁化强度消失的温度。,基本磁学术语,磁通量： 垂直于某一面积所通过的磁力线的多少叫做磁通量或磁通，用表示,=BS，单位韦伯（Wb）。 如果磁感应强度为B，某平面的面积为S，该平面与磁感应强度的方向间的夹角为，那么该平面的磁通量为=BSsin。,基本磁学术语,磁场强度： 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 ，即：H=B/。方向与磁力线在该点处的切线方向一致,单位：安/米（A/m） 注意事项：磁场强度H与磁感应强度B 的名称很相似，切忌混淆。H 是为计算的方便引入的物理量。,基本磁学术语,磁感应强度（磁通密度）： 在磁场中垂直于磁场方向的通电导线，所受的磁场力F跟电流强度I和导线长度L的乘积IL的比值叫做通电导线所在处的磁感应强度，B=F/IL。 又因为=BS，则B=/S，所以，磁感应强度又等于穿过单位面积的磁通量，故磁感应强度又叫磁通密度。,磁性材料的分类,电磁的基本原理,下图是一个电磁线圈的简图：,电磁的基本原理说明,上图是一个简单的电路图，它由电源V，开关S1和空心线圈表示的电感L组成。开关闭合时，电流经导线进入线圈，到导线流过线圈时就会在导线周围建立磁场，磁场的强弱与线圈的匝数有密切的关系，在磁场中，穿过线圈的磁力线叫磁通。 这就是我们简单的变压器雏形。,电磁的基本原理说明,磁场强度用下面的公式表示： H=0.4*3.14*N*I/Li 这里的，N：线圈的匝数； I：电流强度； Li：磁芯的长度。 磁通密度和磁场强度之间，还有一个重要关系导磁率： u=B/H 它描述一个磁性材料被一定的磁感应力磁化的难易程度的物理量。,磁滞回线,每种磁性材料被磁化时，都会有一种S形的曲线，称之为磁滞回线。,磁滞回线说明,上图的磁滞回线一些关键点很重要，其定义为： Bmax：最大磁通密度； Hmax：最大磁场强度； Bres：磁场强度为0时的剩余磁通； He：矫顽磁力，或称把剩余磁感应强 度减少到0的反向磁场。 从上图B-H曲线可见，Bmax是Hmax达到了定值的点，在此点，即使磁场强度再增加，Bmax也不再增加了，这点的磁感应强度的值称为磁饱和强度，用Bsat表示。 如果在磁芯中开一个气隙这个的Bsat要比不开气隙的Bsat小的多，这也就使磁芯不容易饱和了，如下图所示。,带气隙的磁回线图,变压器的基本原理,变压器的基本原理说明,如上图所示，当电流流过绕在磁芯上的线圈时，在磁芯内会产生磁通，如果电流是周期性的变化，并且在磁芯上还绕着第二个线圈（也成为次级绕组），那么会在第二个线圈上感应出电压和电流。,变压器的基本原理说明,一般情况下，高频变压器输出电压的大小与变压器的匝数成正比，输出电流的大小与变压器的匝数成反比，并由下式决定： Np/Ns=Vp/Vs=Is/Ip 公式中，Np：变压器初级线圈Lp的匝数； Ns：变压器次级线圈Ls的匝数； Vp：加在变压器初级的电压，V； Vs：在变压器次级产生的电压，V。 变压器按照其次级绕组输出的电压是高于其输入电压还是低于其输入电压而分为升压变压器和降压变压器，有的变压器输出有很多绕组，,变压器的重要参数,为确保变压器在磁化曲线的线形区工作，可用下式计算最大磁通密度Bmax： Bmax=（Vp）104/Kf*Np*Ae 公式中，Vp：加在变压器初级的电压，V； f：变压器的工作频率，Hz； Np：变压器初级线圈匝数； Ae：磁芯的有效截面积，cm2； K：正弦波4.44，矩形波4.0； 由上公式可得到初级线圈计算公式： Np= （Vp）104/Kf*Bmax*Ae,变压器设计参数,设计变压器时，有两个重要参数，一个是窗口面积，它必须保证能够使导线绕满，并且损耗最小。第二个参数是磁芯的功率输出能力。这两个参数的直接关系式为： Pout=（1.16 BmaxfdAeAc）105 公式中，Pout：磁芯的输出功率，W； Bmax：最大磁通密度，T； f ：变压器的工作频率,Hz； d：导线的载流密度，A/m2 Ae：磁芯的有效截面积，cm2； Ac：磁芯的窗口面积，cm2,变压器设计参数,计算变压器磁芯的公式： AeAc=（0.68PoutD）10-1/fBmax cm4 这里的，D=1.27*106/d 次参数一般由漆包线厂家给出，圆密耳每安培。,铁氧体材料说明,铁氧体生产厂家： 1）国内：南京新康达、北京798厂、西安三联、南京金宁； 2）国外：日本TDK、德国SIMENS、美国FERPOCUBE； 铁氧体化学分子为MFe2O4，这里的M代表：锰、镍、锌、铜等二价金属离子,高频电源变压器的设计原则,高频电源变压器作为一种产品，自然带有商品的属性，因此高频电源变压器的设计原则和其他商品一样，是在具体使用条件下完成具体的功能中追求性能价格比最好。有时可能偏重性能和效率，有时可能偏重价格和成本。现在，轻、薄、短、小，成为高频电源的发展方向，是强调降低成本。其中成为一大难点的高频电源变压器，更需要在这方面下功夫。所以在高频电源变压器的“设计要点”一文中，只谈性能，不谈成本，不能不说是一大缺憾，如果能认真考虑一下高频电源变压器的设计原则，追求更好的性能价格比，传送不到10VA的单片开关电源高频变压器，应当设计出更轻、薄、短、小的方案来。不谈成本，市场的价值规律是无情的！许多性能好的产品，往往由于价格不能为市场接受而遭冷落和淘汰。往往一种新产品最后被成本否决。一些“节能不节钱”的产品为什么在市场上推广不开值得大家深思。,高频电源变压器的设计原则,产品成本，不但包括材料成本，生产成本，还包括研发成本，设计成本。因此，为了节约时间，根据以往的经验，对高频电源变压器的铁损铜损比例、漏感与激磁电感比例、原边和副边绕组损耗比例、电流密度提供一些参考数据，对窗口填充程度，绕组导线和结构推荐一些方案，有什么不好？为什么一定要按步就班地来回进行推算和仿真，才不是概念错误？作者曾在20世纪80年代中开发高频磁放大器式开关电源，以温升最低为条件，对高频电源变压器进行过优化设计。由于热阻难以确定，结果与试制样品相差甚远，不得不再次修正。现在有些公司的磁芯产品说明书中，为了缩短用户设计高频电源变压器的时间，有的列出简化的设计公式，有的用表列出磁芯在某种工作频率下的传送功率。这种既为用户着想，又推广公司产品的双赢行为，是完全符合市场规律的行为，绝不是什么需要辨析的错误概念。问题是提供的参考数据，推荐的方案是否是经验的总结？有没有普遍性？包括“辨析”一文中提出的一些说法，都需要经过实践检验，才能站得住脚。,变压器在电源技术中的作用,变压器和半导体开关器件，整流器件，电容器一起，称为电源装置中的4大主要元器件。根据在电源装置中的作用，变压器可以分为： 起电压和功率变换作用的电源变压器，功率变压器，整流变压器，逆变变压器，开关变压器，脉冲功率变压器； 起传递宽带、声频、中周功率和信号作用的宽带变压器，声频变压器，中周变压器； 起传递脉冲、驱动和触发信号作用的脉冲变压器，驱动变压器，触发变压器；,电源技术对变压器的要求,电源技术对变压器的要求，像所有作为商品的产品一样，是在具体使用条件下完成具体的功能中追求性能价格比最好。有时可能偏重价格和成本，有时可能偏重效率和性能。现在，轻、薄、短、小成为电子变压器的发展方向，是强调降低成本。从总的要求出发，可以对变压器得出四项具体要求：使用条件，完成功能，提高效率，降低成本。,磁性材料的分类,铁氧体磁芯的种类,软磁铁氧体材料可分为两大类：镍锌材料和锰锌材料。一般镍锌材料的初始导磁率 i 约 10 至 1500 ，使用频率约从 5 百千赫至几百兆赫。一般锰锌材料的初始导磁率 i 约从 400 10000 ，使用频率从几千赫至 500 千赫。,常用的磁芯形状： EE 型、EI 型、EF 型、EER 型、ETD 型、PQ 型、EPC 型、RM 型、UR型、ET 型、UU 型、T 型、EFD型、CC型、EP型、LP 型,常用磁芯规格,金属磁粉芯产品,金属磁粉心是一种粉末冶金产品，是一种有着广泛应用的软磁材料。 介绍以下金属磁粉芯有铁粉芯、铁镍钼磁粉芯（MPP）、铁镍50磁粉芯 （HI-FLUX）、铁硅铝磁粉芯（SENDUST）四种。,EMI磁环的选择,在电子设备的电源线或信号线一端或者两端看到的磁环就是共模扼流圈。共模扼流圈能够对共模干扰电流形成较大的阻抗，而对差模信号没有影响 可以选用镍锌铁氧体或锰锌铁氧体，前者的高频特性优于后者。锰锌铁氧体的磁导率在几千-上万，而镍锌铁氧体为几百-上千。铁氧体的磁导率越高，其低频时的阻抗越大，高频时的阻抗越小。所以，在抑制高频干扰时，宜选用镍锌铁氧体；反之则用锰锌铁氧体。或在同一束电缆上同时套上锰锌和镍锌铁氧体，这样可以抑制的干扰频段较宽。,铁粉心,铁粉心特点 1高饱和磁感应强度，可以达到10000高斯以上，因此可以在大电流下工作而不饱和， 也就使其具有优异的直流叠加特性； 2良好的稳定性和可靠性，非常好的磁导率频率特性，使用频率范围宽，可以从KHz GHz（磁导率不同应用频率范围不同）； 3磁导率范围6100，可以满足不同的使用要求； 4产品可以为E型，U形，棒形，SMD形等复杂形状； 5有着良好的温度特性，可以在-55125的范围内正常工作； 6与硅钢和铁氧体材料相比铁粉心对噪音有着更好的阻挡和吸收特性； 7高能量存储密度； 8使用原材料为铁粉，制作工艺相对简单（不用进行退火处理），价格低廉。 主要有以下各种材质型号： -2材质，-8材质，-18材质，-26材质，-28材质，-33材质，-40材质，-52材质等八种通用型材质。,铁粉芯的应用,应用 磁导率为 6090的材料主要应用为EMI和储能滤波器用电感器，有效工作频率范围 为75KHz（不是干扰频率），如EMI 滤波器（差模电感器、直流滤波电感器），逆变电 感器、开关电源变压器输出电感器； 磁导率为2050的材料主要应用为 RF变压器、纯电感器、储能电感器，适用频率为 50kHz2MHz（目前功率变压器的开关频率可以为250 kHz1MHz），如开关电源变压 器；磁导率为620的材料广泛的应用在RF的频率范围，典型的应用是工作频率在 2MHz500MHz 的RF变压器、纯电感器，一些雷达设备使用该材料可以应用到1GHz， 以其低损耗、良好的温度稳定性，使其在通信工业应用广泛。,铁镍钼磁粉心,铁镍钼磁粉心特点1高饱和磁感应强度，可以达到7000高斯以上，因此可以在大电流下工作而不饱和， 也就使其具有优异的直流叠加特性； 2最好的温度稳定性，高的机械强度，优异的磁导率频率特性，在不同的AC磁通密度 下能维持磁导率的恒定； 3磁导率范围26、60、75、90、125，可以满足不同的使用要求； 4产品形状只能为环型（在工艺成型时需要的压力太大，因此只能为环型）； 5有着良好的温度特性，可以在-55200的范围内正常工作； 6高温高频损耗小（最小），由于该材料的磁滞损耗几乎为零因此不会像铁粉心或者硅 钢材料那样产生音频噪音（叫机现象）； 7温度系数小； 8高能量存储密度； 9原材料为Fe、Ni、Mo，价格最高。,铁镍钼磁粉心的应用,该材料以其优良的电性能和产品本身高的稳定性、可靠性和高的价格，决定了其最 适合应用在军用和高精密的领域使用。 主要应用为：单端反激变压器（5kHz200kHz，军用最适合）、EMI滤波器中的电感 器（DC1MHz，工作频率为AC低频或者直流时更能体现其无噪音和良好的直流叠加特 性）、储能电感器（最适用于军用APFC电感器、开关电源变压器输出电感器）、纯电感 器（DC300kHz，因为其磁导率随AC磁通密度变化小，AC损耗最小，因此最适合做谐振 电感器、高精度电感器）、扼流圈（逆变电感器）。,铁镍 50 磁粉心特点,1最高饱和磁感应强度，可以达到14000高斯以上，因此可以在大电流下工作而不饱 和，也就使其具有最优异的直流叠加特性； 2好的温度稳定性，高的机械强度，非常好的磁导率频率特性； 3磁导率范围60、75、90、125，可以满足不同的使用要求； 4产品形状只能为环型（在工艺成型时需要的压力太大，因此只能为环型）； 5有着良好的温度特性，可以在-55200的范围内正常工作； 6温度系数小； 7高能量存储密度； 8原材料为Fe、Ni，价格高。,铁镍 50 磁粉心的应用,以其最优异的直流叠加特性，是直流滤波电感器和有直流叠加成分的低频工作信号的滤波电感器最适合的材料； 单端反激变压器（5k50kHz，特别适合低压大电流的单端反激变压器），纯电感器 （DC100kHz）、EMI滤波电感器（DC300kHz）、储能电感器（DC100kHz）。,铁铝硅磁粉心特点,1高饱和磁感应强度，可以达到10500高斯以上，因此可以在大电流下工作而不饱和， 也就使其具有优异的直流叠加特性； 2良好的稳定性和可靠性，非常好的磁导率频率特性； 3磁导率范围26、60、75、90、125，可以满足不同的使用要求； 4产品可以为环型、E型、SMD型等复杂形状； 5有着良好的温度特性，可以在-65125的范围内正常工作； 6高温高频损耗小，由于该材料的磁滞损耗几乎为零，因此不会像铁粉心和硅钢材料一 样产生音频噪音（叫机现象）； 7温度系数小，在25以上应用时磁导率具有负的温度系数； 8高能量存储密度； 9原材料为Fe、Si、Al，价格相对