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1、第五章 磁性材料和磁路基本定律,开关电源中的磁性材料,开关电源离不开磁性材料(Magnetic materials) 磁性材料主要用于电路中的变压器、扼流圈(包括谐振电感器)中,1、真空磁导率为1.0，空气、纸和铜等非磁性材料具有相同等级的磁导率，铁、镍、钴及其合金材料具有高的磁导率，有时达到几十万,为什么使用磁性材料,开关电源中的磁性材料,Accm2 MPLcm,2、磁心比空心线圈的另一个优点是磁路长度（MPL）易于确定，并且磁通除紧靠绕组附近外，基本局限于磁心部分,为什么使用磁性材料,开关电源中的磁性材料,为什么使用磁性材料,开关电源中的磁性材料,复杂的单位制：厘米克秒（cgs）单位制，米
2、千克秒（mks）单位制，混合英制,一个掌握困难,开关电源中的磁性材料,1. 磁性材料的磁饱和问题：如果磁路饱和，会导致变压器电量传递畸变，使得电感器电感量减小等。对于电源来说，有效电感量的减小，电源输出纹波将增加，并且通过开关管的峰值电流将增加。这样可能使得开关管的工作点超出安全工作区，从而造成开关管寿命的缩短或损坏。,两个重要问题,开关电源中的磁性材料,2. 磁性材料的居里点（居里温度） (Curie Temperature)：在这一温度下，材料的磁特性会发生急剧变化。特别是该材料会从强磁物质变成顺磁性物质，即磁导率迅速减小几个数量级。实际上，它几乎转变为和空气磁芯等效。一些铁氧体(ferr
3、ites)的居里点可以低到130oC左右。因此一定要注意磁性材料的工作温度。,两个重要问题,简单的说就是两个问题： 1.磁饱和引起电感量减小 2.居里温度磁导率减小,开关电源中的磁性材料,注意： 与电路理论相对比,磁心特性与磁路定律,磁滞回线 Hysteresis Loop,磁心特性与磁路定律,B Magnetic Flux Density （磁通密度/磁感应强度） H Magnetic Field Strength （磁场强度） Permeability （磁导率） （A measure of the ease in magnetizing the material）,Magnetizati
4、on Curve,磁心特性与磁路定律,磁化曲线,Bs Saturation Flux Density （饱和磁密） Br Remanence Flux Density （剩磁） Hc Coercive Force （矫顽力） i Initial Permeability （初始磁导率） max Maximum Permeability （最大磁导率） (BH)m Maximum Magnetic Energy Product （最大磁能积）,Hysteresis Loop,直流磁滞回线,磁心特性与磁路定律,高频下的磁滞回线,在高频下，B和H之间存在相位差，即时间效应。交流磁场中曲线面积比直流磁
5、场的曲线面积大，且形状和大小也与磁场的变化频率有关。,磁心特性与磁路定律,磁阻 Reluctance,磁心特性与磁路定律,磁阻与电阻,Rm Reluctance（磁阻）,电学：E(emf), I, R 磁学：F(mmf), , Rm,磁心特性与磁路定律,磁阻的计算,磁心特性与磁路定律,各个量的关系,与电学有哪些相似性？,磁心特性与磁路定律,气隙 Air Gap,磁心特性与磁路定律,气隙的作用,改变磁阻Rm,磁心特性与磁路定律,等效磁导率的计算,磁心特性与磁路定律,温度系数 Temperature Coefficient,磁心特性与磁路定律,温度系数,温度在T1T2范围内变化时，每变化1相应磁导
6、率的相对变化量,-T曲线,磁心特性与磁路定律,不同温度下的磁滞回线,磁心特性与磁路定律,居里温度 Curie Temperature,磁心特性与磁路定律,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,磁心特性与磁路定律,磁心损耗 Core Loss,磁心特性与磁路定律,磁滞损耗（Hysteresis loss）涡流损耗（Eddy current loss）剩余损耗（Residual loss）,损耗的构成,磁心特性与磁路定律,磁滞损耗Ph,The area enclosed by the hysteresis loop is a measure of hys
7、teresis loss per cycle.,磁心特性与磁路定律,涡流损耗Pe,The eddy current loss is caused when the lines of flux pass through the core, inducing electrical current in it.,如何能够减小涡流损耗？,磁心特性与磁路定律,剩余损耗Pc,由于磁化弛豫效应或磁性滞后效应引起的损耗。所谓弛豫是指在磁化或反磁化的过程中，磁化状态并不是随磁化强度的变化而立即变化到它的最终状态，而是需要一个过程，这个“时间效应”便是引起剩余损耗的原因。,磁心特性与磁路定律,磁性材料的划分,矫顽
8、力是划分软磁、半硬磁、永磁材料的一个依据,常见磁性材料,硬磁性材料 (magnetically hard material),硬磁材料是指那些经过饱和磁化后，即使去掉外部磁化磁场，材料中的剩磁仍能长时间地保持磁化状态，并在周围空间产生长久不变的磁场。 硬磁材料具有强大的矫顽力和宽大的磁滞特性曲线。 它的主要性能指标是：剩磁Br(T)、矫顽力Hc(A/m) 和最大磁能积(BH)max。,常见磁性材料,硬磁性材料,1. 塑性变形硬磁材料：碳钢、钨钢、铬钢等永磁钢；铁钴钢、铁铬钢等合金钢。用于罗盘仪、里程表等仪表中。 2. 铸造铝镍钴系硬磁材料：磁电式仪表、永磁电机、扬声器中 3. 粉末烧结铝镍钴系
9、硬磁材料：小型仪表、继电器、微电机等 4. 稀土钴系硬磁材料：传感器、助听器、电子聚焦装置、磁推轴承、力矩电机等 5. 钕铁硼合金：核磁共振、磁悬浮列车等 6. 硬磁铁氧体：微波器件、磁力选矿机、磁分离器等，精度不高的场合,常见磁性材料,在开关电源中的应用：在开关电源中,为减少直流滤波电感的体积，有时用永磁硬磁材料产生恒定磁场抵消直流偏置。,常见磁性材料,硬磁性材料,软磁性材料(magnetically soft material),软磁材料是指那些插入通电绕组中，材料被磁化，使绕组周围的磁场大大加强，而一旦去掉外部磁化电流，材料本身的磁性就非常小。 软磁材料具有小的矫顽力和高的初始磁导率。
10、在电力电子应用技术中的主要性能指标是： 磁导率 饱和磁感应强度Bs(T) 铁损P(W) 居里温度TC(),剩磁弱、矫顽力小、初始磁导率高,常见磁性材料,具有较高的饱和磁感应强度BS：磁感应强度高，相同的磁通需要较小磁芯截面积，磁性元件体积小。 磁导率要高：对要求一定磁通量的磁器件，选用值高的材料，就可以降低外磁场的励磁电流值。(磁感应强度B= H) 要求具有很小的矫顽力Hc和狭窄的磁滞回线：材料的矫顽力越小，就表示磁化和退磁容易，磁滞回线狭窄，在交变磁场中磁滞损耗就越小 电阻率要高：在交变磁场中工作的磁芯具有涡流损耗，电阻率高，涡流损耗小。,对软磁材料的要求,常见磁性材料,软磁性材料,常见磁性
11、材料,电工纯铁：含碳量在0.04%以下，Bs大，Hc小，r可达13000以上。电阻率小，一般用于直流磁芯或磁屏蔽设施。 2. 硅钢片：在电磁纯铁中加入0.5%到4.5%的硅。变压器铁芯含硅4.0-4.5%，厚度0.05-1mm。一般用于磁场强度较高的场合，如电机，变压器，电抗器，互感器等。 3.铁镍合金：分坡莫合金(含镍量34%-80%)和波明伐合金(镍45%, 铁30%, 钴25%)。 4. 软磁铁氧体：MO.Fe2O3，M代表Cu，Mn，Ni，Mg，Zn，Co等二价金属原子，主要分为锰锌和镍锌两种。 5. 非晶态和微晶态材料：分铁基和钴基两种。,常见磁性材料,硅钢片,电阻率较高，减小涡流损
12、耗，材料的时间稳定性较好 饱和磁通较高,常见磁性材料,软磁铁氧体,常见磁性材料,软磁铁氧体,常见磁性材料,非晶态材料,特种钢液温度大约以每秒100万度速率降温的超急冷凝固，一次使薄带成型时，得到非晶合金。称它为非晶态，是因为急剧冷凝固，原子来不及有序排列，因而没有晶粒、晶界存在。磁性、耐蚀性、耐容性、硬度、韧性和高电阻率都比晶态合金软磁材料要好。 铁基非晶合金具有很高的BS值（仅次于硅钢），磁导率、损耗优于硅钢。,常见软磁材料型材,磁心基本结构及参数,两种基本结构类型： 壳型(Shell):磁心包围线圈 心型(Core):线圈在磁心的外边 2. 三种基本材料：金属散件（叠片、薄带），粉末材料，
13、铁氧体,常见软磁材料型材,磁心基本结构及参数,3. 四种构成方式： 叠片叠装， 薄带卷绕，粉末模压，铁氧体烧结,常见软磁材料型材,磁心基本结构及参数,3. 四种构成方式： 叠片叠装，薄带卷绕，粉末模压，铁氧体烧结,常见软磁材料型材,磁心基本结构及参数,4.五个基本参数： 窗口面积Wa，截面积Ac，表面面积At，面积乘积Ap，磁路长度MPL,POT CORE(PC，罐形),常见软磁材料型材,常见软磁材料型材,RM CORE（RM，方形）,常见软磁材料型材,常见软磁材料型材,EPC CORE,常见软磁材料型材,常见软磁材料型材,EFD CORE（经济的扁平设计）,EC CORE,常见软磁材料型材,
14、常见软磁材料型材,E CORE,常见软磁材料型材,常见软磁材料型材,ETD CORE,常见软磁材料型材,常见软磁材料型材,PQ CORE（高功率品质）,常见软磁材料型材,常见软磁材料型材,U CORE,常见软磁材料型材,常见软磁材料型材,U CORE,EP CORE,常见软磁材料型材,常见软磁材料型材,常见软磁材料型材,常见软磁材料型材,RODS（棒状）,CABLE SUPPRESSION CORE,RIBBON CABLE SUPPRESSION CORE（带状）,TUBES,STRIPS（条状）,LOW PROFILE CORE,常见软磁材料型材,常见软磁材料型材,常见软磁材料型材,骨架,
15、常见软磁材料型材,骨架,常见软磁材料型材,骨架,常见软磁材料型材,骨架,常见软磁材料型材,PCB应用型材,DC/DC Converter with Integrated PCB Magnetics,常见软磁材料型材,PCB应用型材,常见软磁铁氧体的功率处理能力,功率 GU 14 4-6W GU 18 10-11W GU 22 16W GU 26 24W GU 30 40W GU 42 110W E I 35 36W E I 41 60W,频率: 锰锌铁氧体：1MHz以下 镍锌铁氧体：1-200MHz 镁锌铁氧体：25MHz以下，高频不如镍锌铁氧体，低频不如锰锌铁氧体.,磁性元件的功率处理能力与
16、温升和热阻、频率有关。,软磁材料应用要点,(1)电磁纯铁电阻率很小，在交变磁场中涡流损耗很大，不适用于交流场合，通常用作直流磁芯和磁屏蔽设施。 (2)在低频(比如50Hz)应用中，一般铁氧体比不上性能优良的硅钢片。若在低频时采用铁氧体磁芯，变压器的体积就非常大，因此在低频时，特别是工频时都采用硅钢磁芯。在高频(比如20kHz)时叠层式硅钢片的涡流和磁滞损耗很大，铁氧体则由于其高电阻率磁芯的损耗很低，因此在高频时通常用铁氧体磁芯。,软磁材料应用要点,软磁材料应用的几个注意点,软磁材料应用要点,软磁材料应用的几个注意点,(3)近年来非晶态软磁材料和微晶软磁材料发展很快，由于它们的性能优良，加工成形容易而受到人们的青睐。目前在十几千赫至几十千赫的中、大功率电力电子装置中应用较广。在上百千赫领域及十千赫的小功率领域仍以铁氧体磁芯材料为主。 (4)负载电流较大时，磁芯的选择一般不直接选用高磁导率材料，通常选用磁导率较低的材料，在选滤波扼流圈磁芯时更是如此。这是因为磁导率较低可以去掉较大的有效空气隙。,软磁材料应用要点,软磁材料应用的几个注意点,(5)磁性材料在应用中必须注意其居里点温度。一些铁氧体的居里点温度可以低到130C左右。解决的办法是在居里点和工作温度之间留有一个安全间隔。,软磁材料应用要点,软磁材料应用的几个注意点,