电力电子技术-功率变换器中的磁性元件设计

1、1,第十三章 功率变换器中的磁性元件设计,2,开关变换器中常用的磁性元件: 变压器： 功率变压器（高/中/低频），驱动变压器，采样变压器，电流互感器等 电感: 直流滤波电感，交流滤波电感，谐振电感，抑制电磁干扰电感(共模/差模)等,第十三章 功率变换器中的磁性元件设计,磁性元件在功率变换器中占较大比重， 其设计好坏对变换器性能影响较大,磁性元件工作状态铁芯材料选择铁芯及绕组参数计算,3,一 磁滞回线 BH曲线,第一节 铁心的磁特性及基本的磁物理量,磁化曲线 剩磁感应Br：H=0；磁化到饱和后得到的值 矫顽磁场强度Hc：将B减小到0；取决于激磁，通常指磁化到饱和后得到的值 饱和磁感应Bs,4,一

2、 磁滞回线,第一节 铁心的磁特性及基本的磁物理量,三种典型形状： S形：高导磁率软磁材料 矩形：坡莫合金软磁材料 扁平：宽恒导磁率合金软磁材料,5,一 磁滞回线,铁心的温度特性：温度高，Bs小,第一节 铁心的磁特性及基本的磁物理量,6,二 磁导率：,真空中0=4*10-7H/m,第十三章 功率变换器中的磁性元件设计,磁导率： B/H，反应材料的导磁性能 绝对磁导率 相对磁导率 r = 0 r,等效磁导率e 有气隙铁芯、非均匀铁芯，用等效均匀铁芯的磁导率,7,二 磁导率：,真空中0=4*10-7H/m,第十三章 功率变换器中的磁性元件设计,增量磁导率,局部磁滞回线,8,三、加气隙后磁滞回线的变化

3、 矫顽磁场强度Hc ，饱和磁感应强度Bs 不变 磁导率 ，剩磁感应强度Br 大大下降,第十三章 功率变换器中的磁性元件设计,9,加气隙后及Br的变化 ：,第十三章 功率变换器中的磁性元件设计,10,四、损耗,磁滞损耗 铁损 涡流损耗 磁性元件损耗 铜损,第十三章 功率变换器中的磁性元件设计,铁心损耗=磁滞损耗+涡流损耗 磁滞损耗：磁滞回线面积 涡流损耗：电阻率，钢带厚度，工作频率,软磁材料：磁滞回线面积 小,11,三类： 1-双向磁化： 变压器，交流滤波电感 2-单向磁化，Hmin0 单端变换器电路中的脉冲变压器 3单向磁化,局部 直流滤波电感,第二节 铁心的工作状态,12,第一类工作状态：

4、铁芯双向磁化、无直流偏磁 多晶体管电路推挽，半桥，全桥变换器中的主变压器 铁心利用率高，B=2Bm 变压器可传递不同形状的电压波形： u=Nd/dt= NScdB/dt,第二节 铁心的工作状态,13,正弦波：电压正半周大于0，B上升B,准矩形波：幅值U,脉宽Ton,Sc-m2,Bm-T, 1T=104Gs, B=2Bm,第一类工作状态:,第二节 铁心的工作状态,14,工作特点及铁心材料: p289 I磁感应在土Bm之间变化，其变化量2Bm，故铁心利用率高。一般取BmBs, 如果铁心Bs越大，Bm可取得越大，铁心体积重量就越小，因此应选取高饱和磁感应Bs的磁性材料 2因铁心沿整个磁滞回线交替磁化

5、，故铁心损耗较大，在频率高时尤为突出。所以应选择磁滞回线窄及电阻率高的材料，或选择较低的Bm值。 3用于变压器的铁心，为减小激磁电流，应选择磁导率高的材料。 应选择高Bs、高磁导率及低损耗的材料,第二节 铁心的工作状态,15,希望：Bs高Br低，低损耗，高磁导率 开一气隙可以降低Br，但激磁电流增大,第二节 铁心的工作状态,二、第二类工作状态,单向矩形脉冲电压、有直流磁化分量 例：单端正激、反激变换器中的变压器,B=Bm-Br,激磁电流只有单方向,16,工作特点及铁心材料: p290 1.这类工作状态的磁感应变化量B Bm-Br。同样，为使铁心不饱和，应取BmBs即BBs-Br，所以铁心利用率

6、较低。为增大B ，应选择高Bs及低Br的材料；或可将铁心开一小气隙以降低Br，但增大了激磁电流，从而增加了损耗 2铁心工作于局部磁滞回线，所包围的面积小，故损耗比第I类工作状态要小，而局部磁滞回线的磁导率较低 应选高Bs, 高等效磁导率、低Br及低损耗的磁性材料,第二节 铁心的工作状态,17,大直流分量+小交流分量 例：DC-DC中的输出滤波电感,第二节 铁心的工作状态,三、第三类工作状态,18,第三类工作状态：铁心的磁化状态局部磁滞回线变化 储能电感，直流滤波电感等：流过线圈的电流=较大的直流分量+交流分量 一般： BBm-Br，损耗较小 电流Im较大，激磁磁场Hm=NIm/lc较大，铁心必

7、须加气隙或采用宽恒导磁合金，使在很宽的H范围内有恒定的磁导率,恒磁导率铁心：,加气隙：,第二节 铁心的工作状态,设计公式,19,工作特点及铁心材料: p291 1交变磁化分量较小，一般情况B Bm-Br，局部磁滞回线所包围的面积较小，故损耗较小 2由于含有较大的直流分量，线图电流最大值Im较大，相应产生激磁磁场H较大，要使铁心不饱和，铁心必须加适当气隙或采用宽恒导磁合金铁心 3. 希望磁心储能大，即希望Bm大，Bs大 这类工作状态的磁性元件应选择饱和磁感应Bs大，恒导磁范围宽及低损耗的磁性材料,第二节 铁心的工作状态,20,一. 冷轧硅钢带： Bs高，损耗取决于含硅量及钢带厚度。高硅薄带损耗低

8、。50HZ0.35mm;400Hz0.2mm;1khz0.1mm，适于低频工作,二. 软磁铁氧体 电阻率高,损耗低,价廉,适于高频工作 缺点:Bs低；温度稳定性差，Bs随温度升高而下降；居里点低；机械强度较差,三. 铁镍软磁合金（坡莫合金）： Bs高，高磁导率，矫顽力极低，矩形比高，可工作于几kHz, 超坡莫合金1J851:损耗小，f 可达100kHz,温度特性好，居里点高，磁性能稳定 价格高；,第三节几种常用铁心材料的性能及选用,21,四.非晶合金及微晶合金材料 非晶合金：电阻率高,损耗低,Bs高Hr小,适于高频工作 分铁基，钴基，铁镍基三类 钴基:高磁导率，矫顽力极低，高频损耗低，电阻率高

9、，但Bs较低，价贵小功率 高频变压器 铁基：Bs高，铁损较低，价廉-大功率变压器铁心 铁镍基：介于铁基与钴基之间 铁基微晶合金：与钴基非晶比，损耗相当，Bs高，温度稳定性好，机械特性好，价廉,五.宽恒导磁合金： -高Bs，线性扁平磁滞回线-高频电感 铁镍合金恒导磁钢带1J50h; 恒导磁铁粉心,第三节几种常用铁心材料的性能及选用,22,铁心材料的选用: (P298) 根据工作状态，功率大小，工作频率，铁损，体积重量，价格，工作环境要求综合考虑 铁心损耗与工作频率有关：f高，损耗增大 功率大而频率不高（小于1000Hz）时，硅钢最好； 铁氧体：小功率，高频率（几十、几百kHz以上），温度不高场合

10、 非晶、微晶：几k20kHz、中等以上功率应用场合,第三节几种常用铁心材料的性能及选用,23,作业: 13-1 ,13-2,第一节 铁心的磁特性及基本的磁物理量,第二节 铁心的工作状态,第三节几种常用铁心材料的性能及选用,第十三章 功率变换器中的磁性元件设计,第四节 脉冲功率变压器及电感的设计 具体的设计实例,24,设计例子一：脉冲变压器 1.选取铁心材料,确定工作磁密B:Bm=(1/31/2)Bs 2.确定铁心型号或尺寸： SQ取决于输出功率和频率,3.绕组计算：,双向磁化:,单向磁化,副边绕组计算:根据输出电压,输出滤波形式来确定副边绕组电压幅值 绕组线径计算: 根据电流波形计算绕组电流有

11、效值I，确定导线截面积Su,考虑集肤效应选定导线线规 4.校核窗口: ku0.3,第四节 脉冲功率变压器及电感的设计,25,副边绕组: 根据输出电压,输出滤波形式确定副边绕组电压幅值,D: 1TON/T; 22TON/T; 3-2TON/T UD:1UD1; 2UD1; 3-2UD1,第四节 脉冲功率变压器及电感的设计,26,设计例子二：电感设计步骤： （宽恒导磁材料） 1.选取铁心材料,确定工作磁密Bm=（1/22/3)Bs，Hm 2.确定铁心型号或尺寸：V=Sclc取决于电感储能,3.计算绕组匝数：,4.核算最大磁场强度Hmax： 1A/m=410-3噢斯特 1GsOc=410-7T m/A,5.绕组线径计算：,6.校核铁心窗口：,磁导率单位：米/安,第四节 脉冲功率变压器及电感的设计,27,第四节 脉冲功率变压器及电感的设计,设计例子二：电感设计步骤： （铁氧体+气隙）,H,A,T,cm2,28,一些实际问题： 1 变压器的瞬态饱和及其防止方法,第四节 脉冲功率变压器及电感的设计,1) 变压器的瞬态饱和 - 电流尖锋 2) 解决: Bm的设计裕量,29,一些实际问题： 1 变压器的瞬态饱和及其防止方法 2 集肤效应 穿透深度： 导线的磁导率， 电导率,第四节 脉冲功率变压器及电感的设计,导线线径要小于2倍,利用多股线或扁铜皮,30,一些