高频电源变压器磁芯的设计原理

高频电力变压器磁芯的设计原理2005-10-12E真理电子技术工作室摘要：开关电源正朝着高频方向发展。用作主变压器的软磁铁氧体磁芯应在材料性能、尺寸和形状方面得到改进。讨论了磁芯设计中应考虑的通功、性能因数和热阻系数等参数，提出了降低材料高频损耗的微设计方法。关键词：开关电源变压器；磁芯；失去传递能力；绩效因素；耐热性1.介绍随着电子信息产业的快速发展，对高频开关电源不断提出新的要求。据报道，全球开关电源市场已经超过100亿美元1。通信、计算机和消费电子是开关电源的三大市场。巨大的开关电源市场主要由交流/DC和DC/DC开关电源组成。预计交流/DC开关电源的全球销售收入将从1999年的91亿美元增加到2004年的122亿美元，年均增长率为5.9%。低功率(0 300瓦)交流/DC将面向消费电子和计算机市场的稳定增长。大功率(750 1500瓦)交流/DC电源将面向增长强劲的电信市场。DC/DC电源约占总开关电源市场的30%,但计算机和通信技术的快速集成推动了DC/DC模块化电源的快速增长。预计未来几年，DC/DC电源模块的增长率将超过交流/DC电源模块的增长率。有人估计，未来五年，DC/DC电源模块在中国的市场将以每年15%的速度增长，主要是在电信领域。开关电源技术的发展趋势是高密度、高效率、低噪声和表面贴装。无论是交流/DC还是DC/DC电源，除功率晶体管外，主变压器、扼流圈和其他由软磁铁氧体磁芯制成的电感(如抗噪声滤波器)都是非常重要的元件。它们的磁性和尺寸与电源的转换效率和功率密度直接相关。变压器设计主要包括绕组设计和磁芯设计。摘要：本文旨在探讨主变压器铁心设计中应考虑的参数，如通过功率、性能因数和热阻等，并提出在材料的微观设计中应考虑的方法，以降低铁心的总损耗。2电力变压器铁芯性能要求和材料分类为了满足开关电源提高效率、减小体积和重量的要求，需要一种高磁通密度、高频率、低损耗的变压器铁芯。尽管存在对高性能非晶软磁合金的竞争，但考虑到性价比，软磁铁氧体材料仍然是最佳选择。特别是在100千赫至1兆赫的高频领域，新型低损耗高频功率铁氧体材料有其独特的优势。为了最大限度地利用磁芯，在较高功率工作条件下，软磁铁氧体材料在高温工作范围内(如80 100)应具有以下主要磁特性：(1)高饱和磁通密度或高振幅磁导率。通过这种方式，允许变压器铁芯在特定频率下具有较大的磁通量偏移，从而可以减少匝数。这也有利于铁氧体的高频应用，因为截止频率与饱和磁通密度成正比。(2)工作频率范围内的低总铁芯损耗。在给定的温升条件下，较低的堆芯损耗将允许较高的通过功率。附加要求包括高居里点、高电阻率和良好的机械强度。新发布的“软磁铁氧体材料分类”行业标准(相当于IEC61332:1995)将用于高磁通密度应用的功率铁氧体材料分为五类，如表1所示。除了对振幅磁导率和功率损耗的要求之外，每种铁氧体材料还提出了一个“性能系数”参数(该参数将在下文中进一步描述)。从PW1到PW5类别，适用的工作频率逐渐增加。例如，PW1材料的适用频率为众所周知，变压器的可传输功率Pth与工作频率f、最大允许磁通密度Bmax(或允许磁通偏移B)和磁路横截面积Ae成比例，并表示为：Pth=C f Bmax Ae Wd (1)在公式中，c是与开关电源电路的操作模式相关的系数(例如，推挽式c=1；正向转换器c=0.71反向转换器c=0.61)；Wd是绕组设计参数(包括电流密度、占空比、绕组横截面积等)。)。这里，我们重点讨论(f Bmax Ae)参数(暂时不讨论绕组设计参数Wd)。增加磁芯的尺寸(增加Ae)可以提高变压器的通过功率，但是电流开关电源的目的是在给定通过功率的情况下减小尺寸和重量。假设温度上升固定，对于给定大小的磁芯，通过功率近似与频率成比例。图1示出了变压器可传输功率Pth和频率f之间的关系。除了应用快速晶体管之外，增加开关频率还受到其他电路的影响，例如电压和电流的快速变化，这在开关电路中产生放大的谐波线路，导致射频干扰和电源辐射。对于变压器铁芯，提高工作频率需要提高高频铁芯的损耗。在图1中，N67材料(西门子)比N27材料具有更低的铁芯损耗，允许更大的磁通密度偏移B，因此变压器可以传输更多的功率。图2示出了磁芯损耗和频率之间的关系。总铁芯损耗P1和工作频率F以及工作磁通密度B之间的关系由以下公式表示：PL=Kf mBnVe (2)其中n是斯坦梅茨指数，功率铁氧体的典型值是2.5；指数m=1 1.3(当磁损耗仅由磁滞损耗引起时，m=1；当f=10 100khz时，m=1.3当f 100千赫时，m将随着频率的增加而增加，如图2所示，这种额外的损耗是由涡流损耗或残余损耗引起的)。显然，对于在高频下工作的铁氧体材料，应努力降低M值2。4工作磁通密度变压器的工作磁通密度(允许磁通密度偏差)受两个方面的限制：第一，铁芯损耗引起的允许温升Fe；另一方面，它也受到铁氧体材料饱和磁通密度的限制。对于单端正向变压器，工作磁通密度b=BM-br；对于推挽变压器，工作磁通密度B=2Bm。根据公式(2)，当工作磁通密度增加时，铁芯损耗将指数增加到2.5的功率，导致变压器温度上升。因此，设计的工作磁通密度首先受到铁芯温升的限制，其关系为：在该公式中，常数CB和指数N是与磁芯材料相关的系数；Ve是有效容积；Rth是热阻。当计算出的磁通密度值较高时，B还应受到磁芯材料允许磁通密度偏差Badm的限制(该值对应于高温下材料的Bs值)。这里，必须注意非等截面磁芯(如E型磁芯)最小截面处的高磁通密度。为了避免磁芯饱和，还必须使用以下公式：从等式(3)和(4)获得的最小磁密度偏移值是允许的变压器工作磁通密度值。5材料性能系数对于铁氧体磁芯制成的变压器，通过功率与工作频率f和最大允许磁通密度Bmax(1)的乘积成正比。显然，高(f Bmax)产品允许较小的核心体积来传输相同的功率；相反，具有相同磁芯尺寸的变压器可以通过使用高(f Bmax)铁氧体材料传输更多功率。我们称这种产品为“性能因数”，这是一个与铁氧体材料相关的参数。良好的高频功率铁氧体显示出高(fBmax)值。图3显示了来自德国西门子公司的几种铁氧体材料的性能因数(PF)和频率之间的关系。功率损耗密度设置为300mW/cm3(100)，可用于测量可能的通过功率。可以看出，改进后的H49i材料在900千赫时达到了3700赫3的最大值(f最大值)，高于原H49毡“性能因数”的提高可以从降低材料的高频损耗开始。已经发现，对应于性能因子最大值的频率与材料的晶粒尺寸d和交流电阻率有关。如图4所示，考虑涡流损耗和d2/之间的关系，这两个结果是一致的。6热阻为了获得最佳的功率传输，变压器温升通常分为两个相等的部分：铁芯损耗引起的温升Fe和铜损耗引起的温升Cu。磁芯的总损耗和温升之间的关系如图5所示。对于相同尺寸的铁芯(RM14铁芯)，使用不同的铁氧体材料(不同的热阻系数)，其温升不同，其中N67材料的热阻比其他材料低。因此，磁芯的温升和磁芯的总损耗之间的关系可以用下面的公式表示：Fe=RhTP Fe(5)其中Rth是热阻，定义为每瓦总功耗发生时，指定热点的温升(K/W)。铁氧体材料的导热系数、磁芯的尺寸和形状对热阻有影响，可以用下面的经验公式4表示：其中S是磁芯的表面积；d是磁芯尺寸；是表面导热系数；是磁芯的内部热导率。从等式(6)可以看出，用于电力变压器的铁氧体材料必须具有低功率损耗和高热导率。实际测量表明，图5所示的N67材料显示出高热导率。从微观结构来看，具有高烧结密度、均匀的晶粒结构和晶界中足够的钙浓度的材料将具有高热导率。图6示出了不同磁芯形状、尺寸和重量m对变压器热阻的影响。考虑到磁芯的尺寸和形状，较大的磁芯尺寸具有较低的热阻，其中ETD磁芯具有优异的热阻特性。此外，没有中心孔的反应堆堆芯(RM14 A)比有中心孔的堆芯(RM14B)显示出更低的热阻。对于高频电力变压器铁芯，铁芯设计应尽可能增加外露表面，如加大后翼和外翼，或做成宽而薄的形状(如低矮的RM铁芯、PQ铁芯等)。)，这可以降低热阻并提高通过功率。磁芯的总损耗软磁铁氧体磁芯的总损耗通常由三部分组成：磁滞损耗、涡流损耗和残余损耗。每个损耗产生的频率范围是不同的。磁滞损耗与DC磁滞回线的面积成正比，与频率成线性关系，即：直流磁滞回线的等效能量。对于工作频率低于100千赫的功率铁氧体磁芯，最重要的是降低磁滞损耗。为了降低损耗，应选择铁氧体成分，使材料具有最小矫顽力Hc和最小各向异性常数K。理想情况下，各向异性补偿点(即K0)位于变压器工作温度(约80 100)。此外，该成分应具有低磁致伸缩常数，并且在该过程中应避免内部和外部应力和夹杂物。使用大而均匀的晶粒是有利的，因为HC D-1 (D是晶粒尺寸)。涡流损耗Pe可由以下公式表示：Pe=Cef2B2/其中Ce是尺寸常数，是测量频率f时的电阻率。随着开关电源的小型化和工作频率的提高，由于Pef 2的存在，降低高频电力变压器的涡流损耗变得更加重要。随着频率的增加，涡流损耗在总损耗中的比例逐渐增加。当工作频率达到200 500 khz时，涡流损耗往往已经占主导地位。这可以从图7所示的R2KB1材料磁芯的总损耗(包括磁滞和涡流损耗)与频率f之间的关系的测量曲线来证明。降低涡流损耗主要是为了提高多晶铁氧体的电阻率。考虑到材料的微观结构，应该有均匀的小晶粒和高电阻率的晶界和晶粒。当添加氧化钙二氧化硅时，由于小晶粒具有最大的晶界表面，电阻率增加最近，人们发