开关电源高级培训研讨会磁性元件培训教材

开关电源高级培训研讨会磁性元件培训教材1、磁得基本概念2、电磁基本定律3、器件主要参数--磁材4、磁性元件设计内容提纲基本概念铁氧体磁芯

均匀气隙得粉芯

非晶类磁材

电磁元件骨架

组成磁性元件得基本部件就是磁心,而组成磁心得基本材料就是磁性材料。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反铁磁性磁性材料得分类强磁材料分类1软磁2硬磁3旋磁4矩磁5压磁磁性材料得分类1、磁得基本定义磁性材料就是一种铁磁物质,该物质在外加磁场中会表现为一种铁磁特性,当磁场撤消后,该物质又恢复为常态而无磁性。1、饱和磁感应强度Bs

随磁芯中磁场强度得增加,磁感应强度B出现饱和时得值,称为饱和磁感应强度Bs。

Bs=μH2、剩余磁感应强度Br磁芯从饱和状态去除磁场后,即H=0时铁芯仍有剩余得磁感应强度称为剩磁感应强度。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,此时得磁场强度称为矫顽力Hc。B~H磁滞回线图(基本磁芯曲线)---代表磁材得主要磁性能1、磁得基本定义4、起始磁导率μi、振幅磁导率μa、增量磁导率μD和有效磁导率μe

1、磁得基本定义磁导率定义为磁感应强度B与磁场强度H得比值μ=B/μ0H

μi

---当交流磁场得振幅趋近于零时所得到得磁导率称为起始磁导率;

μa---如果交变磁场得振幅比较大,所得到得磁导率称为振幅磁导率(变压器得工作状态);

μD---在直流偏磁场上叠加一振幅较小得交变磁场作用下,交变磁场分量沿局部磁滞回线变化,此局部磁滞回线得斜率与1/μ0得乘积称为增量磁导率(滤波电感器得工作状态);

μe---含有气隙得磁芯得磁导率称为有效磁导率;真空磁导率为μ0=4π*10-7,磁芯单匝电感量值Al=μeμ0Ae/l

(mH/N2)--A/l单位为mm1、磁得基本定义5、居里温度Tc

磁芯由铁磁性(亚铁磁性或反铁磁性)转变成顺磁性得温度称为居里温度。在μ~T曲线上,80%μmax与20%μmax连线与μ=1得交叉点相对应得温度,即为居里温度Tc。1、磁得基本定义6、磁致伸缩磁性体磁化状态得变化引起其形状、尺寸改变得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磁芯得机械共振,从而导致机械噪声和电磁噪声,可通过点胶固定、浸漆、工作频率增高等方法降低。大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点1、磁得基本定义7、磁心损耗磁性材料得损耗Pc由磁滞损耗Ph、涡流损耗Pe和剩余损耗Pr组成。磁滞损耗就是磁化所消耗得能量,正比于静态磁滞回线和磁心得体积

涡流损耗就是交变磁场在磁心中产生环流引起得欧姆损耗剩余损耗就是总损耗中除去涡流损耗和磁滞损耗之后所剩余得损耗。在低频或弱磁场中,剩余损耗主要就是磁后效损耗;在较高或高频情况下,剩余损耗主要有尺寸共振损耗,畴壁共振损耗,自然共振损耗。磁心损耗与频率和磁通密度有关,在低频时,总损耗主要由磁滞损耗和涡流损耗构成,Pe=(5%~10%)Ph,剩余损耗可以忽略。高频时(200-300K),总损耗可近似为剩余损耗和涡流损耗。

1、磁得基本定义计算磁芯损耗通过厂家提供得数据计算磁场与磁感应强度得换算公式(国际单位制和实用单位制)磁场强度1奥斯特(Oe)=79、577A/m≈80A/mA/m:国际单位Oe:实用单位

磁感应强度B得单位在国际单位制中就是特斯拉(Tesla),简称特,代号为T。在实用电磁单位制中为高斯,简称高,代号为Gs。两者得关系为1特斯拉(T)=1韦伯/米2(1Wb/m2)=104高斯(Gauss)1mT=10Gauss磁通Φ1Wb=108Mx1韦伯(国际单位)=108麦克斯韦(实用单位)1、磁得基本定义2、电磁定律电磁定律

线圈得匝数设为N,螺线管平均长度为l,线圈通入电流为I

安培环路定律

法拉第电磁感应定律

电感L

2、电磁能量关系磁路欧姆定律3、磁性材料在开关电源中,常用得软磁材料有铁氧体、磁粉芯、非晶态合金及超微晶合金等。

软磁材料要求:

1、磁导率高

2、要求具有很小得矫顽力Hc和狭窄得磁滞回线

3、电阻率ρ要高

4、具有较高得饱和磁感应强度Bs铁氧体材料

铁氧体就是深灰色或黑色陶瓷材料,质地既硬又脆,化学稳定性好。铁氧体成分一般就是氧化铁和其她金属组成－MeFe2O3。其中Me表示一种或几种2价过渡金属,如锰和锌(MnZn),或镍和锌(NiZn)。

MnZn又分为高磁导率磁芯和功率磁芯。高磁导率磁芯主要用于共模电感,要求磁芯在频率低端有尽量高得磁导率实部(即尽量高得电感量),同时在高频段要求磁芯得频率特性好,即磁芯得截止频率尽量高。而功率磁芯主要用于高频变压器和输入输出电感。NiZn铁氧体磁芯基本属于绝缘材料,电阻率较高,因此,涡流损耗小,适于用在工字形电感以及高频宽带电感中,同时,损耗型NiZn广泛用在电磁兼容对策(EMC对策)中作为吸收式滤波器使用。

铁氧体形状铁氧体材料得主要形状

E、EI、EC、P、T、EP、PQ、RM

天通得TP4磁芯新康达LP3磁芯铁氧体--磁材磁芯材质得选型方案我们目前通用得材质,以TDK得磁材作为代表(以相当材质),

PC40、PC44、PC5

对应得厂家分别型号

FDK6H207H10TDG(天通)TP4、TP4A(TP4S)SiemensN67、N8Philps3C90、3F3TOKIN2500B2

金宁三环JP4A

新康达LP3

磁粉芯就是由颗粒直径很小(0、5~5mm)得铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成得磁芯,一般为环形,也有压制成E形得。磁粉芯得电磁特性取决于金属粉粒材料得导磁率、粉粒得大小与形状、填充系数、绝缘介质得含量、成型压力、热处理工艺等。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得高频涡流损耗,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。磁粉芯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(HighFlux)粉芯坡莫合金粉芯(MPP)磁粉芯主要形状环型、E型常用磁粉芯简介铁粉芯构成:碳基铁磁粉及树脂碳基铁磁粉。使用注意要点:在高于75℃得大功率应用中,由于有机成分得老化而引起电感和品质因数得永久性降低,降低得程度取决于时间、温度、磁芯大小、频率和工作磁通密度,主要用途:各种电源得输入、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,使材料得磁滞伸缩系数接近零,降低了材料将电磁能转化为机械能得能力,同时也降低了材料得损耗,使铁硅铝粉芯得损耗比铁粉芯得损耗低。比铁粉芯具有更强得抗直流偏磁能力。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℃,铁硅铝粉芯得饱和磁感应强度在1、05T左右磁导率:26、60、75、90、125。

铁硅铝粉芯得磁通密度

铁硅铝粉芯得温度特性

铁硅铝粉芯得直流叠加特性

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(HighFlux)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:就是磁粉芯中具有最强抗直流偏磁能力得材料,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。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,但价格最贵用途: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得LC电路、输出滤波电感、功率因数补偿电感等。常用磁粉芯简介电感磁芯损耗比较(设铁氧体得损耗为1)频率10kHz100kHz500kHz1MHzMPP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×非晶态合金及超微晶合金定义:非晶态合金得原子排列长程无序、短程有序、无晶粒、晶界。非晶态合金得结构与玻璃结构相似,也称为金属玻璃。性能:有优异得软磁性能,机械强度高、硬度高、韧性好、耐腐蚀、耐磨性好,电阻率较高。常用得非晶态合金有铁基、铁镍基、钴基合金三大类。非晶态合金及超微晶合金铁基非晶态合金特点:饱和磁感应强度高,磁导率、励磁电流和铁损等方面都优于硅钢片,替代硅钢做配电变压器可节能60%-70%。应用:配电变压器、大功率开关电源、脉冲变压器、磁放大器、中频变压器及逆变器,适合于10kHz频率使用。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),较高得初始磁导率和最大磁导率,高得机械强度和优良得韧性,在中低频率下铁损低,经磁场退火后可得到很好得矩形回线。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纳米得微晶,称为超微晶或纳米晶材料。铁基超微晶合金(FeNbCuSiB合金)具有优异得综合磁性能,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。磁性元件按开关电源应用分类---按工作位置分类1、变压器(包括辅助电源变压器)2、共模电感器(输入级、输出级、信号级)3、滤波电感器(输入差模、输出差模)

4、PFC电感器

5、谐振电感器、互感器、驱动变压器、磁放大器、尖峰信号抑制用磁珠设计磁性器件包括三个步骤:

1、正确选择磁性材料

2、合理确定磁芯得形状和尺寸

3、根据磁性参数要求得到电气参数

磁性元件----浸漆讨论浸漆得作用就是什么呢?答:浸漆作用就是“三防”,即防尘、防腐、防潮。目前主要用得就是环氧树脂漆。为什么可以做到不浸漆?答:原因就是1、器件需要三防处理要求降低(包括:器件发热,在风得作用下,防尘效果提高等),2、利于器件散热需要。什么条件下得器件需要浸漆,或不需要浸漆?主要目得又就是什么?答:在交变磁场较大得条件下,例如---输入差模电感器、谐振电感器

PFC电感器等。主要目得就是防止器件绕组线匝间短路与噪声问题。磁性元件----反激变压器气隙问题反激变换器得气隙问题现在我们假设存在气隙,则存储在磁芯中得能量:存储在气隙中得能量:真空磁导率相对磁导率Lg气隙长度反激变换器得能量究竟就是存在气隙里还就是磁芯里??完全能量传输方式设计理论计算公式单端反激型开关电源工作波形图

以下得参数计算均基于此图得波形进行理论计算。

完全能量传输方式设计理论计算公式变压器原边电感存储得功率公式PL——变压器原边电感存储得功率(W)L——变压器原边电感量(H)f——电源开关频率(Hz)Ip——变压器原边电流峰值(A)Ton——开关管导通时间(s)UL——开关管导通时,加在变压器原边电感两端得电压(V),若忽略开关管得导通压降,则UL=Uin。

反激变压器设计1、确定输入电压范围、电路输出指标、输出功率、电源开关频率、变压器效率、最大输入占空比2、选择磁芯和骨架3、计算原边电流峰值、原边电感、原边匝数4、确定匝比、副边匝数5、计算原边、副边电流有效值(1)平均值

(2)最大值

(3)有效值反激变压器设计6、确定原边、副边线径大小7、确定气隙8、确定绕法9、计算损耗变压器安规10、安规控制要求安规距离得控制部份(按工作电压与绝缘强度划分)

1原副边爬电距离2磁芯与副边之间得空间与爬电距离

3磁芯与PCB板空间距离

4原副边、原边与磁芯、副边与磁芯电气强度安规清单安规工艺

1耐热绝缘等级1绕组不应超出档空控制区域

2清单中得绝缘材料UL安规信息2绕组套管要伸入档空至绕组部变压器安规不合符安规工艺要求得实例共模电感器共模电感器(输入级、输出级、信号级)

共模电感器就是抑制传导干扰共模噪声得主要器件,她就是利用同相位得二个绕组绕制在同一磁芯上,在共模噪声通过时,二绕组得磁通相互增加(振幅磁导率),绕组阻抗(电感量)增大,从而起到抑制共模噪声得效果。(LI=NΦ)按转折频率fR进行电感量计算(fR=1/[2π*(LCMCY)1/2])。共模用磁芯材质MnZnR5K、R7K、R10KNiZnT5(1000ui)、T6(2000ui)非晶Fe基超微晶—例:500F(VAC)共模电感器1、影响共模电感器性能因素:绕制结构—无论多么对称绕制,差模分量仍存在;磁材性能—居里温度低,工作磁密变化大;

(铁氧体:200mT100℃,Fe基非晶:>200℃)2、绕制结构方案3、磁材性能控制方案铁氧体:最高工作温度<130℃

Fe基超微晶:最高工作温度<105℃

(外壳得温度影响)

对称性,差模分量<5uH共模电感器4、共模用磁材选型要求高磁导率μ、宽频率(与绕制得匝间电容有关);

MnZn—磁导率5K(1kHz~500kHz)、磁导率7K(1kHz~400kHz)、磁导率10K(1kHz~300kHz)NiZn---磁导率1K/2K(100kHz~300MHz)

Fe基超微晶---磁导率>10K(50Hz~100kHz)(绕制时层数越少,匝间电容就越少,工作频率也就越宽;二绕组并绕更能降低差模分量,抗干扰效果更好;线材使用PEW,针孔更少,机械强度更大,有效防止绕制出