开关电源高级培训研讨会(磁性元件培训教材).ppt

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1、磁性元件培训教材,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

2、不相同，但都能可靠个工作。,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,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,1.磁的基本定义,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

3、，磁感应强度B出现饱和时的值，称为饱和磁感应强度Bs。 Bs=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,1.磁的基本定义,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,1.磁的基本定义,磁导率定义为磁感应强度B与磁场强度H的比值 =B/0H 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-如果交变磁场的振幅比较大，所得到的磁

4、导率称为振幅磁导率(变压器的工作状态) ； D-在直流偏磁场上叠加一振幅较小的交变磁场作用下，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-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mm,1.磁的基本定义,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。,1.磁的基本定义,6. 磁致伸缩 磁性体磁化状态的变

5、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，可通过点胶固定、浸漆、工作频率增高等方法降低。,1.磁的基本定义,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

6、，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.磁的基本定义,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

7、= 108 Mx 1韦伯(国际单位) = 108麦克斯韦(实用单位),1.磁的基本定义,2.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 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,铁氧体材料,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

8、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。,铁氧体形状,铁氧体材料的主要形状 E、EI、EC、P、T、EP、PQ、RM,天通的TP4磁芯,新康达LP3磁芯,铁

9、氧体-磁材,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、3F3 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

10、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。,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（High Flux）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

11、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。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

12、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、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

13、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）,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，

14、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

15、，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。,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(

16、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、合理确定磁芯的形状和尺寸 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

17、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。,磁性元件-反激变压器气隙问题,反激变换器的气隙问题,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?,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 以下的参数计算均基于此图的波形进行理论计算。,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的功率公式 PL变压器原边电感存储的功率（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

18、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，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

19、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,变压器安规,不合符安规工艺要求的实例,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)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、R10K NiZn

20、T5(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: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5uH,共模电感器,4.共模用磁材选型要求 高磁导率、宽频率(与绕制的匝间电容有关)； MnZn磁导率5K(1kHz500kHz)、磁导率7K(1kHz400kHz)、 磁导率10K(1kHz3

21、00kHz) NiZn-磁导率1K/2K(100kHz300MHz) Fe基超微晶-磁导率10K(50Hz100kHz) (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，有效防止绕制出现的匝间短路。),共模电感器,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:

22、 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%；,共模电感器,5.共模电感器的损耗 主要以铜损为主， 温升的估算公式(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,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、D

23、F-60(FeSi) MPP High Flux(HF),PFC电感器,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,PFC电感器,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

24、) (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,PFC电感器,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

25、 100kHz 2000Gauss) Arnold Magnetic MMP 60、-26; Kool M(损耗参考曲线) 上钢所 SA-60,PFC电感器,7.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,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),滤波电感器,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，,电磁元件、磁材培训教材,谢谢,