第三章开关电源中的高频磁元件设计

1,开关电源中的高频磁元件设计,第一节磁性材料的基本特性,3,磁元件在开关电源中的作用当变压器使用电气隔离、能量传递、根据变比不同，实现升、降压电压、电流互感器多脉波整流当电感使用储能、滤波抑制电流尖峰，保护易受电流损坏的电子元器件实现开关管的软开关,3.1磁性材料的概述,4,3.1磁性材料的概述,磁元件设计的现状无标准商品化元件；优化函数多重;磁学基础差;实践和经验。磁性材料的磁化物质的磁化需要外磁场；被磁化的物质称为磁介质；在磁场中放入磁性材料，磁场的磁感应强度B显著增大，磁场使得磁性材料呈现磁性的现象称为磁性材料的磁化。,5,3.1磁性材料的概述,磁性材料的磁化,铁磁材料之所以具有高导磁性，是因为在它们的内部具有一种特殊的物质结构磁畴。,铁磁材料内部的磁畴排列杂乱无章，磁性相互抵消，因此对外不显示磁性。,（a）无外磁场情况,磁畴因受外磁场作用而顺着外磁场的方向发生归顺性重新排列，在内部形成一个很强的附加磁场。,（b）有外磁场情况,铁磁材料内部往往有相邻的几百个分子电流圈流向一致，因此在这些极小的区域内就形成了一个个天然的磁性区域磁畴。,磁畴是怎么形成的？,6,.1磁性材料的概述,磁性材料的磁化,磁场是电流产生的，而电流总是被磁场所包围,右手定则,7,3.1磁性材料的概述,磁性材料的磁化过程,oa段是线性段，可逆,ab段是上升段，不可逆,bc段是磁化曲线的膝部,C点以后是饱和段,B磁感应强度；J磁化强度；m0真空磁导率；H磁场强度。,曲线Am0HBJCA+B，初始磁化曲线,ab段反映了铁磁材料的高导磁性，磁导率可达102104，由软磁材料组成的磁路磁阻很小，在线圈中通入较小的电流即可获得较大的磁通。c点以后说明铁磁材料具有磁饱和性。B不会随H的增强而无限增强，H增大到一定值时，B不能继续增强。,8,3.1磁性材料的概述,饱和磁滞回线,BS饱和磁感应强度Br剩余磁感应强度HC矫顽力,将磁性材料沿磁化曲线OS由完全去磁状态磁化到饱和Bs，如再将外磁场H减小，B值将不再按照原来的初始磁化曲线（OS）减小，而是更加缓慢地沿较高的B减小。即使外磁场H=0时，B0。这种磁化曲线与退磁曲线不重合特性称为磁化的不可逆性。,磁滞现象,磁化的不可逆性,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。,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。,10,3.1磁性材料的概述,磁性材料的基本特性磁感应强度B（磁通密度）表征磁场中某一点的磁性强弱和方向的矢量,方向：左手定则单位：特斯拉（T）、高斯（GS），1GS=10-4T,11,3.1磁性材料的概述,磁通f穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总和。,或,单位：韦伯（1Wb=1VS（伏秒）麦克斯韦（Mx）1Wb=108Mx,12,3.1磁性材料的概述,磁场强度H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。,单位：安培/米（A/m）、奥斯特（Oe）1Oe=103/4（A/m）,13,3.1磁性材料的概述,磁导率m表征磁场中磁性能的物理量，可用来衡量磁介质导磁能力。磁导率在磁介质中不是常数。,（1）真空磁导率m0,（2）初始磁导率mi是磁性材料的初始磁化曲线始端磁导率的极限值，即,14,3.1磁性材料的概述,（3）有效磁导率me在闭合磁路中，或多或少地存在着气隙，若气隙很小可以忽略，则可以用有效磁导率来表征磁芯的导磁能力。,L线圈的自感量（mH）N线圈匝数Ae磁芯截面积（mm2）l磁路长度(mm),（4）最大磁导率mM磁导率中的最大值,（5）动态磁导率md在磁化曲线上各点切线的斜率，表示该点附近磁感应强度随磁场强度变化的情况。,15,3.1磁性材料的概述,饱和磁感应强度BS随磁芯中磁场强度H增加，磁感应强度出现饱和时的B值，称饱和磁感应强度BS。剩余磁感应强度Br磁芯从磁饱和状态去除磁场后，剩余的磁感应强度或残留磁通密度。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或保磁力。,16,3.1磁性材料的概述,温度系数am温度系数为温度在T1T2范围内变化时，温度每变化1，磁导率的相对变化量。,m1温度为T1时的磁导率m2温度为T2时的磁导率,居里温度TC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。,在m-T曲线上，80的mmax与20mmax连线与m=1的交差点相对应的温度，即为居里温度。,17,3.1磁性材料的概述,磁芯损耗（铁损）PC磁芯在工作磁感应强度时的单位体积损耗，主要包括磁滞损耗(PH)、涡流损耗(PW)和残留损耗。工作磁感应强度BW,BW工作磁感应强度（mT）US线圈两端的电压（V）f频率（kHz）Ae有效截面积（mm2）,残留损耗是由磁化延迟及磁矩共振等造成，一般可不考虑。,18,3.1磁性材料的概述,磁滞损耗每次磁化所消耗的能量。,f频率（kHz）Bm最大磁通密度Kh比例系数，因材质而异,注：磁滞损耗是不可恢复能量，转化为热能消耗掉。每磁化一个周期，就要损耗与磁滞回线包围面积成正比的能量，频率越高，损耗功率越大。在工作频率一定时，降低矫顽力可有效降低磁滞损耗。磁感应强度摆幅越大，包围面积越大，损耗也越大。,工程计算可用下式：,19,3.1磁性材料的概述,涡流损耗是交变磁场在磁芯中产生环流引起的欧姆损耗。,d密度，单位体积材料的质量r磁芯的电阻率,注：涡流损耗取决于材料的截面尺寸和电阻率。在工作频率一定时，减小磁性材料厚度及提高其电阻率可减小涡流损耗。为减少涡流损耗，可将低电阻率的磁合金材料碾轧成薄带，用相互绝缘的n片薄带叠成相同截面积磁芯代替整块磁芯。,20,.1磁性材料的概述,电感系数AL电感系数是磁芯上每一匝线圈产生的自感量。,L磁芯线圈的自感量（H）N线圈匝数,最大磁能积：退磁曲线上任何一点的B和H的乘积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B与H的乘积，因此也称为磁能积，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B和H的乘积有最大值，称为最大磁能积(BH)max。,22,3.2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,磁性材料的分类,24,3.2磁性材料,常用的软磁性材料铁氧体,25,3.2磁性材料,磁粉芯,26,3.2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,27,3.2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。IEC1332（1995）软磁铁氧体材料分类的电子行业标准,28,3.2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（国际电工委员会IEC的定义）称闭路磁芯为CL类磁芯。,29,3.2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。,EMI(电磁干扰)电磁干扰（ElectromagneticInterference简称EMI），是指电磁波与电子元件作用后而产生的干扰现象，有传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合(干扰)到另一个电网络。辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合(干扰)到另一个电网络，在高速PCB及系统设计中，高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源，能发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。,（国际电工委员会IEC的定义）,31,3.2磁性材料,改良型磁芯：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，则变的通风良好，解决了罐形磁芯温升过高的问题。,EP形,铁粉心,1高饱和磁感应强度，可以达到10000高斯以上，可以在大电流下工作而不饱和，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KHzGHz；3磁导率范围6100，4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,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（不计干扰频率），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250kHz1MHz），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,1高饱和磁感应强度，可以达到7000高斯以上，可以在大电流下工作而不饱和，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，可以在大电流下工作而不饱和，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，价格相对低廉（与铁镍钼和铁镍50比），民用性价比最高。,铁铝硅磁粉心应用,单端反激变压器（5kHz200kHz）、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（民用APFC电感器最适合的材料、开关电源变压器输出电感器）、纯电感器（DC300kHz）、扼流圈（逆变电感器）。,磁芯损耗的考量,磁芯损耗可分为三种：磁滞损耗涡流损耗剩余损耗（主要由磁后效引起，与粒子的扩散有关）。磁滞在低场下可以不予考虑，涡流在低频下也可忽略，剩下的就是剩余损耗。在磁感应强度较高或工作频率较高时，各种损耗互相影响难于分开。故在涉及磁损耗大小时，应注明工作频率f以及对应的Bm值。剩余损耗和B的大小无关，但随频率增大而增大。而磁滞损耗随B的增加增大，涡流损耗则和频率成线性变化。在正激和桥式电源中，磁芯损耗着重考虑涡流损耗。在反激变压器和储能电感中，既要考虑涡流损耗又要考虑磁滞损耗，尤其是DCM方式工作的电源，磁滞损耗是第一位的,磁芯的气隙,对反激变压器，本质是个电感。其全部电流都为励磁电流，由电感的储能公式：W=1/2LI2知，要增大其储能，表面看来可采用两种方式：第一，增大电感量（即增加匝数）。这样变压器的体积会大大增加，还有一个问题是，由于磁芯的Bmax不变，则最大工作电流必然减小，所以采用增大电感量来增加储能是不明智的。第二，就是增加工作电流。开气隙后虽然电感值下降，单看这项，误以为减弱了磁芯的储能。但电流对磁芯储能的贡献却成平方倍增长，导致最终，磁芯总储能的增加。,第二节高频变压器的设计方法,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；,43,3.3高频变压器设计方法,变压器的基本原理变压器的结构,铁心,变压器的磁路,绕组,一次绕组,二次绕组,铁心,变压器的电路,44,3.3高频变压器设计方法,变压器的工作原理,铁心,一次、二次绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合。,45,3.3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。,空载时，铁心中主磁通是由一次绕组磁通势产生的。,46,3.3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。,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。,47,3.3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,48,3.3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。,变压器尺寸的确定：1、一般认为变压器磁芯应与工作频率、磁性材料、绕组匝数、绕制方式、屏蔽层厚度、绝缘等级等因素有关，但没有严格的基本公式进行表达。2、实际应用时，通常以散热为主要参数，考虑磁芯的横截面积。阅读教材P48,磁芯的设计,磁芯的选用,磁芯的使用一定要一定的居里温度以内，需用是要注意磁芯的结构、脆度、硬度、稳定度、导磁率及磁感应强度。在设计时，工作频率和噪声干扰应十分注意。在强磁场力的作用下，磁性材料会发生收缩和膨胀，很可能出现共振。因而要注意PCB板的固定。,磁芯的设计,开关电源变压器磁芯多是在低磁场下使用的软磁材料，它有较高磁导率，低的矫顽力，高的电阻率。磁导率高，在一定线圈匝数时，通过不大的激磁电流就能承受较高的外加电压，因此，在输出一定功率要求下，可减轻磁芯体积。磁芯矫顽力低，磁滞面积小，则铁耗也少。高的电阻率，则涡流小，铁耗小。铁氧体材料是复合氧化物烧结体，电阻率很高，适合高频下使用，但Bs值比较小，常使用在开关电源中。,磁芯的选择,高频变压器磁芯的设计通常采用两种方法：第一种是先求出磁芯窗口面积AW与磁芯有效截面积Ae的乘积AP（AP=AWAe，称磁芯面积乘积），根据AP值，查表找出所需磁性材料之编号；第二种是先求出几何参数，查表找出磁芯编号，再进行设计。,设计中注意问题,设计中，在最大输出功率时，磁芯中的磁感应强度不应达到饱和，以免在大信号时产生失真。在瞬变过程中，高频链漏感和分布电容会引起浪涌电流和尖峰电压及脉冲顶部振荡，使损耗增加，严重时会造成开关管损坏。同时，输出绕组匝数多，层数多时，应考虑分布电容的影响，降低分布电容有利于抑制高频信号对负载的干扰。对同一变压器同时减少分布电容和漏感是困难的，应根据不同的工作要求，保证合适的电容和电感。,54,能量损耗设计,温升和损耗根据电源设计要求，将总损耗值分配到各损耗部件，得到变压器的允许损耗。变压器损耗使得线圈和磁芯温度提高。变压器损耗分为磁心损耗和线圈损耗两部分。,T温升（）Rth变压器热阻（/W）P功率（W）,55,能量损耗设计,磁芯损耗磁芯损耗包括磁滞损耗和涡流损耗。磁芯磁滞损耗与频率和磁通摆幅有关。频率越高，损耗功率越大，磁感应摆幅越大，包围面积越大，损耗也越大。磁芯涡流损耗实际上即磁芯材料的电阻损耗I2R，与磁通变化率（变压器伏/匝）成正比线圈损耗线圈损耗包括直流损耗和高频损耗。,在200300kHz以下，磁滞损耗为主；在更高频率时，因为涡流损耗随频率平方上升，超过磁滞损耗。,设计要点1,一个高效率高频变压器应具备直流损耗和交流损耗低、漏感小、绕组本身的分布电容及各绕组之间的耦合电容要小等条件。高频变压器的直流损耗是由线圈的铜损耗造成的。为提高效率，应尽量选择较粗的导线，并取电流密度J=410Amm2。,设计要点2,高频变压器的交流损耗是由高频电流的趋肤效应以及磁芯的损耗引起的。高频电流通过导线时总是趋向于从表面流过，这会使导线的有效流通面积减小，并使导线的交流等效阻抗远高于铜电阻。高频电流对导体的穿透能力与开关频率的平方根成反比，为减小交流铜阻抗，导线半径不得超过高频电流可达深度的2倍。可供选用的导线线径与开关频率的关系曲线参教材P52-52,设计要点3,在设计高频变压器时必须把漏感减至最小。因为漏感愈大，产生的尖峰电压幅度愈高，漏极钳位电路的损耗就愈大，这必然导致电源效率降低。对于一个符合绝缘及安全性标准的高频变压器，其漏感量应为次级开路时初级电感量的13。要想达到1以下的指标，在制造工艺上将难于实现。,减小漏磁的措施：减小初级绕组的匝数NP；增大绕组的宽度（例如选EE型磁芯，以增加骨架宽度b）；增加绕组的高、宽比；减小各绕组之间的绝缘层；增加绕组之间的耦合程度。,能量损耗设计,60,3.3高频变压器设计方法,窗口填充系数窗口填充系数定义为线圈铜占有的总面积与窗口面积之比。电压等级越高，环境愈恶劣，绝缘要求越高，绝缘占据的窗口面积愈大。导线形状不同，窗口利用不同。,磁场强度用下面的公式表示：这里的，N：线圈的匝数；I：电流强度；L：磁芯的长度。,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