如何選擇和設(shè)計(jì)磁性元件 (2)課件

基本磁學(xué)術(shù)語(yǔ)磁通量：

垂直于某一面積所通過(guò)的磁力線的多少叫做磁通量或磁通，用ф表示,ф=BS，單位韋伯（Wb）。

如果磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，某平面的面積為S，該平面與磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向間的夾角為θ，那么該平面的磁通量為ф=BSsinθ。2023/1/17基本磁學(xué)術(shù)語(yǔ)磁場(chǎng)：（國(guó)際電工委員會(huì)IEC的定義）電磁場(chǎng)的組成部分，采用磁場(chǎng)強(qiáng)度H和磁通密度B表示其特征。（我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)定義）磁場(chǎng)是一種場(chǎng)，其特征可在場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)著的帶電粒子所受的力來(lái)確定，這種力源于粒子的運(yùn)動(dòng)及其所帶電荷。2023/1/17基本磁學(xué)術(shù)語(yǔ)磁場(chǎng)強(qiáng)度：

在任何磁介質(zhì)中，磁場(chǎng)中某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與同一點(diǎn)的磁導(dǎo)率μ的比值稱為該點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H，即：H=B/μ。方向與磁力線在該點(diǎn)處的切線方向一致,單位：安/米（A/m）

注意事項(xiàng)：磁場(chǎng)強(qiáng)度H與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的名稱很相似，切忌混淆。H是為計(jì)算的方便引入的物理量。2023/1/17電磁的基本原理說(shuō)明上圖是一個(gè)簡(jiǎn)單的電路圖，它由電源V，開關(guān)S1和空心線圈表示的電感L組成。開關(guān)閉合時(shí)，電流經(jīng)導(dǎo)線進(jìn)入線圈，到導(dǎo)線流過(guò)線圈時(shí)就會(huì)在導(dǎo)線周圍建立磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的強(qiáng)弱與線圈的匝數(shù)有密切的關(guān)系，在磁場(chǎng)中，穿過(guò)線圈的磁力線叫磁通。這就是我們簡(jiǎn)單的變壓器雛形。2023/1/17磁滯回線每種磁性材料被磁化時(shí)，都會(huì)有一種S形的曲線，稱之為磁滯回線。2023/1/17磁滯回線說(shuō)明上圖的磁滯回線一些關(guān)鍵點(diǎn)很重要，其定義為：

Bmax：最大磁通密度；Hmax：最大磁場(chǎng)強(qiáng)度；Bres：磁場(chǎng)強(qiáng)度為0時(shí)的剩余磁通；He：矯頑磁力，或稱把剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度減少到0的反向磁場(chǎng)。從上圖B-H曲線可見，Bmax是Hmax達(dá)到了定值的點(diǎn)，在此點(diǎn)，即使磁場(chǎng)強(qiáng)度再增加，Bmax也不再增加了，這點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的值稱為磁飽和強(qiáng)度，用Bsat表示。如果在磁芯中開一個(gè)氣隙這個(gè)的Bsat要比不開氣隙的Bsat小的多，這也就使磁芯不容易飽和了，如下圖所示。2023/1/17變壓器的基本原理2023/1/17變壓器的基本原理說(shuō)明如上圖所示，當(dāng)電流流過(guò)繞在磁芯上的線圈時(shí)，在磁芯內(nèi)會(huì)產(chǎn)生磁通，如果電流是周期性的變化，并且在磁芯上還繞著第二個(gè)線圈（也成為次級(jí)繞組），那么會(huì)在第二個(gè)線圈上感應(yīng)出電壓和電流。2023/1/17變壓器的基本原理說(shuō)明一般情況下，高頻變壓器輸出電壓的大小與變壓器的匝數(shù)成正比，輸出電流的大小與變壓器的匝數(shù)成反比，并由下式?jīng)Q定：Np/Ns=Vp/Vs=Is/Ip公式中，Np：變壓器初級(jí)線圈Lp的匝數(shù)；Ns：變壓器次級(jí)線圈Ls的匝數(shù)；

Vp：加在變壓器初級(jí)的電壓，V；

Vs：在變壓器次級(jí)產(chǎn)生的電壓，V。變壓器按照其次級(jí)繞組輸出的電壓是高于其輸入電壓還是低于其輸入電壓而分為升壓變壓器和降壓變壓器，有的變壓器輸出有很多繞組，2023/1/17變壓器設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，有兩個(gè)重要參數(shù)，一個(gè)是窗口面積，它必須保證能夠使導(dǎo)線繞滿，并且損耗最小。第二個(gè)參數(shù)是磁芯的功率輸出能力。這兩個(gè)參數(shù)的直接關(guān)系式為：

Pout=(1.16*Bmax·f·d·Ae·Ac)*10-5公式中，Pout：磁芯的輸出功率，W；

Bmax：最大磁通密度，T；

f：變壓器的工作頻率,Hz；

d：導(dǎo)線的載流密度，A/m2Ae：磁芯的有效截面積，cm2；

Ac：磁芯的窗口面積，cm22023/1/17變壓器設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算變壓器磁芯的公式：Ae·Ac=((0.68Pout·D)*10-1)/(f·Bmax)單位為cm4這里的，D=1.27*106/d

次參數(shù)一般由漆包線廠家給出，圓密耳每安培。2023/1/17鐵氧體材料說(shuō)明鐵氧體生產(chǎn)廠家：1）國(guó)內(nèi)：南京新康達(dá)、北京798廠、西安三聯(lián)、南京金寧；2）國(guó)外：日本TDK、德國(guó)SIMENS、美國(guó)FERPOCUBE；鐵氧體化學(xué)分子為MFe2O4，這里的M代表：錳、鎳、鋅、銅等二價(jià)金屬離子2023/1/17鐵氧體材料主要的兩種區(qū)分低磁新?lián)p耗的LP（主要用在開關(guān)電源、DC-DC主變壓器、輸出平滑扼流圈）按頻率范圍可分為：LP2:20~150KHZ中低頻段

LP3:100~500KHZ中高頻段（目前應(yīng)用最廣泛）

LP4:500~1000KHZ超高頻段（為適應(yīng)開關(guān)電源超高頻的趨勢(shì)而開發(fā)的）這類磁性材料主要在80~100度時(shí)，損耗承負(fù)溫度系數(shù)，因而可抑制變壓器的溫升。高磁導(dǎo)率的HP（用于寬帶變壓器、脈沖變壓器和電源噪聲濾波等小電流線性領(lǐng)域），按磁導(dǎo)率和損耗范圍分：

HP1和HP2：對(duì)損耗和高頻特性要求較高；

HP3:對(duì)器件體積和電感量要求較高的。2023/1/17磁芯的機(jī)構(gòu)和選用磁芯的使用一定要一定的居里溫度以內(nèi)，需用是要注意磁芯的結(jié)構(gòu)、脆度、硬度、穩(wěn)定度、導(dǎo)磁率及磁感應(yīng)強(qiáng)度。在設(shè)計(jì)時(shí)，工作頻率和噪聲干擾應(yīng)十分注意。在強(qiáng)磁場(chǎng)力的作用下，磁性材料會(huì)發(fā)生收縮和膨脹，很可能出現(xiàn)共振。因而要注意PCB板的固定。主要說(shuō)明見課本21頁(yè)。2023/1/17設(shè)計(jì)高頻變壓器原則設(shè)計(jì)高頻變壓器首先應(yīng)該從磁芯開始。開關(guān)電源變壓器磁芯多是在低磁場(chǎng)下使用的軟磁材料，它有較高磁導(dǎo)率，低的矯頑力，高的電阻率。磁導(dǎo)率高，在一定線圈匝數(shù)時(shí)，通過(guò)不大的激磁電流就能承受較高的外加電壓，因此，在輸出一定功率要求下，可減輕磁芯體積。磁芯矯頑力低，磁滯面積小，則鐵耗也少。高的電阻率，則渦流小，鐵耗小。鐵氧體材料是復(fù)合氧化物燒結(jié)體，電阻率很高，適合高頻下使用，但Bs值比較小，常使用在開關(guān)電源中。2023/1/17設(shè)計(jì)變壓器注意問題設(shè)計(jì)中，在最大輸出功率時(shí)，磁芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度不應(yīng)達(dá)到飽和，以免在大信號(hào)時(shí)產(chǎn)生失真。在瞬變過(guò)程中，高頻鏈漏感和分布電容會(huì)引起浪涌電流和尖峰電壓及脈沖頂部振蕩，使損耗增加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成開關(guān)管損壞。同時(shí)，輸出繞組匝數(shù)多，層數(shù)多時(shí)，應(yīng)考慮分布電容的影響，降低分布電容有利于抑制高頻信號(hào)對(duì)負(fù)載的干擾。對(duì)同一變壓器同時(shí)減少分布電容和漏感是困難的，應(yīng)根據(jù)不同的工作要求，保證合適的電容和電感。用玻璃珠膠合劑粘接的高頻變壓器內(nèi)部。采用這種工藝可將音頻噪聲降低5dB。知道了高頻變壓器的設(shè)計(jì)，你是不是對(duì)對(duì)其它變壓器也有興趣呢？2023/1/17電源高頻變壓器的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)高頻變壓器是電源設(shè)計(jì)過(guò)程中的難點(diǎn)，下面以反饋式電流不連續(xù)電源高頻變壓器為例，介紹一種電源高頻變壓器的設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)目標(biāo)：電源輸入交流電壓在180V~260V之間，頻率為50Hz，輸出電壓為直流5V、14A，功率為70W，電源工作頻率為30KHz。設(shè)計(jì)步驟：1、計(jì)算高頻變壓器初級(jí)峰值電流Ipp2、求最小工作周期系數(shù)Dmin3、計(jì)算高頻變壓器的初級(jí)電感值Lp4、計(jì)算出繞組面積Aw和鐵心有效面積Ae的乘積Aw*Ae,選擇鐵心尺寸。5、計(jì)算空氣間隙長(zhǎng)度Lg6、計(jì)算變壓器初級(jí)線圈Np7、計(jì)算變壓器次級(jí)線圈Ns2023/1/17開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)高頻變壓器是單片開關(guān)電源的核心部件，鑒于這種高頻變壓器在設(shè)計(jì)上有其特殊性，為此專門闡述降低其損耗及抑制音頻噪聲的方法，可供高頻變壓器設(shè)計(jì)人員參考。2023/1/17設(shè)計(jì)要點(diǎn)2高頻變壓器的交流損耗是由高頻電流的趨膚效應(yīng)以及磁芯的損耗引起的。高頻電流通過(guò)導(dǎo)線時(shí)總是趨向于從表面流過(guò)，這會(huì)使導(dǎo)線的有效流通面積減小，并使導(dǎo)線的交流等效阻抗遠(yuǎn)高于銅電阻。高頻電流對(duì)導(dǎo)體的穿透能力與開關(guān)頻率的平方根成反比，為減小交流銅阻抗，導(dǎo)線半徑不得超過(guò)高頻電流可達(dá)深度的2倍?？晒┻x用的導(dǎo)線線徑與開關(guān)頻率的關(guān)系曲線如圖1所示。2023/1/17設(shè)計(jì)要點(diǎn)3在設(shè)計(jì)高頻變壓器時(shí)必須把漏感減至最小。因?yàn)槁└杏螅a(chǎn)生的尖峰電壓幅度愈高，漏極鉗位電路的損耗就愈大，這必然導(dǎo)致電源效率降低。對(duì)于一個(gè)符合絕緣及安全性標(biāo)準(zhǔn)的高頻變壓器，其漏感量應(yīng)為次級(jí)開路時(shí)初級(jí)電感量的1％～3％。要想達(dá)到1％以下的指標(biāo)，在制造工藝上將難于實(shí)現(xiàn)。減小漏感時(shí)可采取以下措施：在這個(gè)電路中，開關(guān)管的最大電流對(duì)電源輸出功率的大小有一定的限制（通常應(yīng)用于300W電源的MOS管體積較大，有的電源甚至使用了耐流達(dá)到10A的開關(guān)管），而高頻變壓器各個(gè)繞組線圈的匝數(shù)比例則決定了輸出電壓的多少，由于工作在很高的頻率下，對(duì)元件質(zhì)量的要求和線路的搭配有很高的要求。2023/1/17設(shè)計(jì)高頻變壓器歸納減小初級(jí)繞組的匝數(shù)NP；增大繞組的寬度（例如選EE型磁芯，以增加骨架寬度b）；增加繞組的高、寬比；減小各繞組之間的絕緣層；增加繞組之間的耦合程度。2023/1/17電源技術(shù)對(duì)變壓器的要求電源技術(shù)對(duì)變壓器的要求，像所有作為商品的產(chǎn)品一樣，是在具體使用條件下完成具體的功能中追求性能價(jià)格比最好。有時(shí)可能偏重價(jià)格和成本，有時(shí)可能偏重效率和性能?，F(xiàn)在，輕、薄、短、小成為電子變壓器的發(fā)展方向，是強(qiáng)調(diào)降低成本。從總的要求出發(fā)，可以對(duì)變壓器得出四項(xiàng)具體要求：使用條件，完成功能，提高效率，降低成本。2023/1/17一般簡(jiǎn)易計(jì)算Ae值的方法一般常用的公式為