开关电源高级培训研讨(磁性元件培训教材)

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1、硬件部 申大力 2011.3.10 几乎在说有的电源电路中,都要用到电磁元件(电感或变压器),例如:通信电源中的主变压器、PFC电感、LLC电感、输出滤波电感、辅助源反激变压器等。可以说磁性元件是电力电子技术重要组成部分之一。 磁性元件与其它电气元器件不同，很难从市场上采购到符合自己的要求的电感和变压器，都需要设计者自己设计。而磁性元件的分析和设计要比电路设计复杂的多，要直接得到唯一的答案是困难的，因为要涉及到许多因素，比如体积、成本、效率。正确的设计不只是一般电气参数的计算，还包含了结构、工艺和散热设计等。 即使对于输入、输出规格相同的开关变换器，不同人设计的磁性元件参数各不相同，但都能可靠

2、个工作。 前言前言1.磁的基本概念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内容提纲基本概念基本概念铁氧体磁芯 均匀气隙的粉芯 非晶类磁材 电磁元件骨架 组成磁性元件的基本部件是磁心，而组成磁心的基本材料是磁性材料。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 反铁磁性磁性材料的分类强磁材料分类1 软磁2 硬磁3 旋磁4 矩磁5 压磁磁性材料的分类 磁性材料是一种铁磁物质，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 随磁芯中磁场强度的增加，磁感应强度B出现饱和时的值，称为饱和磁感应强度Bs。 B

3、s=H 2. 剩余磁感应强度Br 磁芯从饱和状态去除磁场后，即H=0时铁芯仍有剩余的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，此时的磁场强度称为矫顽力Hc。BH磁滞回线图 (基本磁芯曲线) -代表磁材的主要磁性能4. 起始磁导率i、振幅磁导率a、增量磁导率D和有效磁导率e 磁导率定义为磁感应强度B与磁场强度H的比值 =B/0H i i -当交流磁场的振幅趋近于零时所得到的磁导率称为起始磁导率； a a-如果交变磁场的振幅比较大，所得到的磁导率称为振幅磁导率(变压器的工作状态) ； D D-在直流偏磁场上叠加一振幅较小的交变磁场

4、作用下，交变磁场分量沿局部磁滞回线变化，此局部磁滞回线的斜率与1/0的乘积称为增量磁导率(滤波电感器的工作状态)； e e-含有气隙的磁芯的磁导率称为有效磁导率; 真空磁导率为0=4*10-7， 磁芯单匝电感量值Al= e 0 Ae/l (mH/N2)-A/l单位为mm5. 居里温度Tc 磁芯由铁磁性(亚铁磁性或反铁磁性)转变成顺磁性的温度称为居里温度。在T曲线上，80%max与20%max连线与=1的交叉点相对应的温度，即为居里温度Tc。6. 磁致伸缩 磁性体磁化状态的变化引起其形状、尺寸改变的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的机械共振，从而导致机械噪声和电磁噪声，

5、可通过点胶固定、浸漆、工作频率增高等方法降低。7. 磁心损耗 磁性材料的损耗Pc由磁滞损耗Ph、涡流损耗Pe和剩余损耗Pr组成。 磁滞损耗是磁化所消耗的能量，正比于静态磁滞回线和磁心的体积 涡流损耗是交变磁场在磁心中产生环流引起的欧姆损耗 剩余损耗是总损耗中除去涡流损耗和磁滞损耗之后所剩余的损耗。在低频或弱磁场中，剩余损耗主要是磁后效损耗；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

6、耗。 计算磁芯损耗通过厂家提供的数据计算 磁场与磁感应强度的换算公式(国际单位制和实用单位制) 磁场强度 1奥斯特(Oe)=79.577A/m80A/m A/m:国际单位 Oe: 实用单位 磁感应强度 B的单位在国际单位制中是特斯拉(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。两者的关系为 1特斯拉(T)=1韦伯/米2 (1Wb/m2)=104高斯(Gauss) 1mT=10Gauss 磁通1Wb = 108 Mx 1韦伯(国际单位) = 108麦克斯韦(实用单位)电磁定律电磁定律 线圈的匝数设为N，螺线管平均长度为l，线圈通入电流为I 安培环路定律安培环路

7、定律 法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律 电感电感L L 在开关电源中，常用的软磁材料有铁氧体、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、要求具有很小的矫顽力Hc 和狭窄的磁滞回线 3、电阻率要高 4、具有较高的饱和磁感应强度Bs 铁氧体是深灰色或黑色陶瓷材料，质地既硬又脆，化学稳定性好。铁氧体成分一般是氧化铁和其它金属组成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的磁导率实部（即尽量高的电感量）,同时在高频段

8、要求磁芯的频率特性好，即磁芯的截止频率尽量高。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。 铁氧体材料的主要形状 E、EI、EC、P、T、EP、PQ、RM 磁芯材质的选型方案 我们目前通用的材质，以TDK的磁材作为代表(以相当材质)， PC40、PC44、PC5 对应的厂家分别型号 FDK 6H20 7H10 TDG(天通) TP4、TP4A(TP4S) Siemens N67、N8 Philps 3C90、3F

9、3 TOKIN 2500B2 金宁三环 JP4A 新康达 LP3 磁粉芯是由颗粒直径很小（0.55mm）的铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成的磁芯，一般为环形，也有压制成E形的。磁粉芯的电磁特性取决于金属粉粒材料的导磁率、粉粒的大小与形状、填充系数、绝缘介质的含量、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的高频涡流损耗，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。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（High Flux）粉芯

10、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的大功率应用中，由于有机成分的老化而引起电感和品质因数的永久性降低，降低的程度取决于时间、温度、磁芯大小、频率和工作磁通密度， 主要用途：各种电源的输入、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，使材料的磁滞伸缩系数接近零，降低了材料将电磁能转化为机械能的能力，同时也降低了材料的损耗，使铁硅铝粉芯的损耗比铁粉芯的损耗低。比铁粉芯具有更强的抗直流偏磁能力

11、。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，铁硅铝粉芯的饱和磁感应强度在1.05T左右 磁导率：26、60、75、90、125。铁硅铝粉芯的磁通密度铁硅铝粉芯的温度特性铁硅铝粉芯的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（High Flux）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：是磁粉芯中具有最强抗直流偏磁能力的材料，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、

12、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的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（设铁氧体的损耗为1）频率 10kHz 100kHz 500kHz 1MHzMPP粉芯 2 5 9 12铁硅

13、铝粉芯 2 9 18 20非晶态合金薄带 2 15 25 25HF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：非晶态合金的原子排列长程无序、短程有序、无晶粒、晶界。非晶态合金的结构与玻璃结构相似，也称为金属玻璃。 性能：有优异的软磁性能，机械强度高、硬度高、韧性好、耐腐蚀、耐磨性好，电阻率较高。 常用的非晶态合金有铁基、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

14、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），较高的初始磁导率和最大磁导率，高的机械强度和优良的韧性，在中低频率下铁损低，经磁场退火后可得到很好的矩形回线。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、

15、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纳米的微晶，称为超微晶或纳米晶材料。铁基超微晶合金（FeNbCuSiB合金）具有优异的综合磁性能，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。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

16、性器件包括三个步骤： 1、正确选择磁性材料 2、合理确定磁芯的形状和尺寸 3、根据磁性参数要求得到电气参数 浸漆的作用是什么呢? 答:浸漆作用是“三防”，即防尘、防腐、防潮。目前主要用的是环氧 树脂漆。 为什么可以做到不浸漆? 答:原因是1.器件需要三防处理要求降低(包括：器件发热，在风的作 用下，防尘效果提高等)，2.利于器件散热需要。 什么条件下的器件需要浸漆，或不需要浸漆?主要目的又是什么? 答: 在交变磁场较大的条件下，例如-输入差模电感器、谐振电感器 PFC电感器等。 主要目的是防止器件绕组线匝间短路与噪声问题。202eecrB L AE 202gegB L AE反激变换器的气隙问题

17、现在我们假设存在气隙,则存储在磁芯中的能量:存储在气隙中的能量:真空磁导率相对磁导率Lg 气隙长度反激变换器的能量究竟是存在气隙里还是磁芯里?ergcgLLEE磁芯存储能量气隙存储能量0r单端反激型开关电源工作波形图 以下的参数计算均基于此图的波形进行理论计算以下的参数计算均基于此图的波形进行理论计算。 变压器原边电感存储的功率公式PL变压器原边电感存储的功率（变压器原边电感存储的功率（W）L变压器原边电感量（变压器原边电感量（H）f电源开关频率（电源开关频率（Hz）Ip变压器原边电流峰值（变压器原边电流峰值（A）Ton开关管导通时间（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

18、端的电压（开关管导通时，加在变压器原边电感两端的电压（V），），若忽略开关管的导通压降若忽略开关管的导通压降，则，则UL=Uin。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 max12DUIUIinoutoutpkwepkpBAILN111pkoninpITUL1(max)(min)1)1 (maxmax(min)DUDUNoutin2121NNUUNTUTUoffoutonin（3）有效值6、确定原边、副边线径大小7

19、、确定气隙8、确定绕法9、计算损耗jISRMSSD410.安规控制要求 安规距离的控制部份(按工作电压与绝缘强度划分) 1 原副边爬电距离 2 磁芯与副边之间的空间与爬电距离 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 清单中的绝缘材料UL安规信息 2 绕组套管要伸入档空至绕组部不合符安规工艺要求的实例共模电感器(输入级、输出级、信号级) 共模电感器是抑制传导干扰共模噪声的主要器件，它是利用同相位的二个绕组绕制在同一磁芯上，在共模噪声通过时，二绕组的磁通相互增加(振幅磁导率)，绕组阻抗(电感量)

20、增大，从而起到抑制共模噪声的效果。(LI=N) 按转折频率fR进行电感量计算(fR=1/2*(LCMCY)1/2)。共模用磁芯材质MnZn R5K、R7K、R10KNiZn T5(1000ui)、T6(2000ui)非晶 Fe基超微晶例:500F(VAC)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:200mT 100, 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 (外壳的温度影响) 对称性，差模分量10K(50Hz100kHz) (绕制

21、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，有效防止绕制出现的匝间短路。) 由于国内的材料在高频拐点后下降快，所以我们需要在承认书增加对高频电感量的测试，以起到材料控制的用途。 MnZn：100kHz(10K材质)；200kHz(5K、7K材质)； 400kHz(2K材质)作为控制关键指标，合格判定要求：电感量L:1kHz条件下电感量最小值65%70%； NiZn: 1MHz测试点作为控制关键指标，合格判定要求： 电感量L:1kHz条件下电感量最小值70%80%； 5.共模电感器的损耗 主要以铜损为主，温

22、升的估算公式(自然冷): dT=PCu/Aw0.833； dT:温升(); Pcu:铜损(mW); Aw:绕组表面积(cm2) PFC电感器 使用于功率因数校正器(PFC)中的电感器。输入电流被PWM调制后，通过PFC电感器及控制，使原来呈脉冲状的波形，调制成接近正弦波(含有高频纹波)的波形。用于PFC电感器的磁芯材料 MnZn功率铁氧体PC40(或相当材质) FeSiAl Super-MSS、Kool M、 SA-60、DF-60(FeSi) MPP High Flux(HF)1.影响PFC电感器性能因素： 电感量在电流下的跌落- 跌落越大，正弦波形就越畸变，磁芯损耗也就越大； 磁材-磁材的

23、自身单位损耗越大，器件的温升就越高；2.磁芯损耗分析 在同等粉芯材料下，颗粒越小，磁材的有效磁导率就越低，损耗也就越低； 工作频率越高，粉芯磁材的损耗也就高；dB越大，损耗就越大； 不同粉芯材料，相同条件下的损耗也有很大差异3.电感量的计算 L=1.414*Vmin*D/(f*dI) Vmin:输入电压最小值(V), D:占空比；f :工作频率(Hz); dI:电流纹波(A);L:电感量(H) (输入电压最小值时对应的PFC电感平均电流的最大值)4.磁芯损耗计算 BOOST校正电路的PFC电感，其交变磁通密度的变化量为 dB=0e*n*dI/l, 交变磁密的峰值为Bpk=dB/2 通过磁芯手册

24、查对应Bpk下的工作频率的磁芯损耗值Pv(mW/cm3) 则磁芯损耗为PFe=Pv*磁芯体积5.PFC电感器用磁材选型要求 PFC电感器即要能通过较大的峰值电流，又要能储存较多的能量， 1 高饱和磁通密度； 2 低损耗；6.适用于PFC电感器的磁材 MMG DF60(850mW/cm3 50kHz 1000Gauss) TDK PC40、PC44铁氧体(410mW/cm3 100kHz 2000Gauss) Arnold Magnetic MMP 60、-26; Kool M(损耗参考曲线) 上钢所 SA-607.PFC电感器的损耗 铁损PFe+铜损Pcu 最佳设计-铁损:铜损=2：8 温升的估算公式(自然冷): dT=(PFe+Pcu)/Aw0.833； dT:温升(); Pcu:铜损(mW); Aw:绕组表面积(cm2)滤波电感器(输入差模、输出差模) 用于输入滤波、差模、输出滤波等的位置，对交流进行整形用途的器件。1.器件功耗 以铜损为主2.磁材选型 磁粉芯(主要以铁硅铝为主) 3.设计要点: 直流滤波电感器的电感量设计要求(恒定负载) 由于磁芯的有效磁导率在随着直流偏置下是会小,即电感量小，故此 设计计算的值应是在输出电流加载前提下保证的最小电感量。 不论是MnZn的功率铁氧体、还是粉芯类的滤波电感器，均要确认在直流偏置下的磁导率变化后的电感量，