开关电源中的高频磁元件的设计ppt课件

1、123磁性资料的概述磁性资料的概述高频变压器设计方法高频变压器设计方法磁性资料及铁氧体磁性资料磁性资料及铁氧体磁性资料根本内容 这里讨论的磁性元件是指绕组和磁芯。绕组可以是一个绕组，也可以是两个或多个绕组。它是储能、转换及隔离所必备的元件。常把它作为变压器或电感器运用。 当变压器用，可起作用为： 1) 电气隔离；2) 变比不同，到达电压升、降；3) 大功率整流副边相移不同，有利纹波系数减小；4) 磁耦合传送能量；5) 丈量电压、电流。 当电感器用，可起作用为： 1) 储能、平波、滤波；2)抑制尖峰电压或电流，维护易受电压、电流损坏的电子元件；3)与电容器构成谐振，产生方向交变的电压或电流。 4

2、.1.14.1.1磁元件在开关电源中的作用磁元件在开关电源中的作用4.1.24.1.2磁性元件对设计的重要意义磁性元件对设计的重要意义 磁性元件是开关变换器中必备的元件。但又不易透彻掌握任务情况(包括磁资料特性的非线性，特性与温度、频率、气隙的依赖性和不易丈量性)。在选用元件时，不像电子元件可以有现成废品选择。绝大多数磁性元件都是要自行设计，主要是变压器和电感器涉及的参数太多，例如：电压、电流、频率、温度、能量、电感量、变比、漏电感、磁资料参数、铜损耗、铁损耗等等。磁资料参数丈量因难，也添加了人们的困惑感。绝大多数磁元件要自行设计，或提供参数委托设计、加工。 4.1.3 4.1.3 磁性资料的

3、磁化磁性资料的磁化 物质的磁化需求外磁场。相对外磁场而言，被磁化的物质称为磁介质。将铁磁物质放到磁场中，磁感应强度显著增大。磁场使得铁磁物质呈现磁性的景象称为铁磁物质的磁化。铁磁物质之所以能被磁化，是由于这类物质不同于非磁物质，在其内部有许多自发磁化的小区域磁畴。在没有外磁场作用时，这些磁畴陈列的方向是杂乱无章的(图5-1(a)，小磁畴间的磁场是相互抵消的，整个磁介质对外不呈现磁性。如给磁性资料加外磁场，资料中的磁畴顺着磁场方向转动，加强了资料内的磁场。随着外磁场加强，转到外磁场方向的磁畴就越来越多，与外磁场同向的磁感应强度就越强，如图5-1(b)d所示，这就是说资料被磁化了。 HHH(a)

4、(b) (c) (d)图5-1 铁磁物质磁化过程中的磁畴陈列4.1.3 4.1.3 磁性资料的磁化磁性资料的磁化1、磁性资料的磁化过程、磁性资料的磁化过程如将完全无磁形状的铁磁如将完全无磁形状的铁磁物质放在磁场中，磁场物质放在磁场中，磁场强度从零逐渐添加，丈强度从零逐渐添加，丈量铁磁物质的磁通密度量铁磁物质的磁通密度B，得到磁通密度和磁，得到磁通密度和磁场强度场强度H之间关系，并之间关系，并用用B-H曲线表示，该曲曲线表示，该曲线称为磁化曲线，如图线称为磁化曲线，如图5-2曲线曲线C所示。所示。 HB0abcABCtg=0图5-2 铁磁物质的磁化特性 4.1.3 4.1.3 磁性资料的磁化磁性

5、资料的磁化 当磁介质置于磁场中，外磁场较弱时，随着磁场强度的添加，与外磁场方向相差不大的那部分磁畴逐渐转向外磁场方向图5-1b，磁感应B随外磁场添加而添加(图5-2中oa段)。假设将外磁场H逐渐减少到零时，B仍能沿ao回到零，即磁畴发生了“弹性转动，故这一段磁化是可逆的。 当从磁场继续增大时，与外磁场方向相近的磁畴曾经趋向于外磁场方向，那些与磁场方向相差较大的磁畴抑制“摩擦，也开场转向外磁场方向图5-1c，因此磁感应B随H增大急剧上升，如磁化曲线ab段。假设把ab段放大了看，曲线呈现阶梯状，阐明磁化过程是腾跃式进展的。假设这时减少外磁场，B将不再沿ba段回到零，过程是不可逆的。 4.1.3 4

6、.1.3 磁性资料的磁化磁性资料的磁化2、饱和磁滞回线、饱和磁滞回线 假设将铁磁物质沿磁化曲线假设将铁磁物质沿磁化曲线OS 由由完全去磁形状磁化到饱和完全去磁形状磁化到饱和Bs如图如图5-3 所示，此时如将所示，此时如将外磁场外磁场H 减小，减小，B值将不再按值将不再按照原来的初始磁化曲线照原来的初始磁化曲线(0S)减减小，而是更加缓慢地沿较高的小，而是更加缓慢地沿较高的B 减小，这是由于发生刚性转减小，这是由于发生刚性转动的磁畴保管了外磁场方向。动的磁畴保管了外磁场方向。即使外磁场即使外磁场H=0时，时，B0，即，即尚有剩余的磁感应强度尚有剩余的磁感应强度Br 存在。存在。这种磁化曲线与退磁

7、曲线不重这种磁化曲线与退磁曲线不重合特性称为磁化的不可逆性。合特性称为磁化的不可逆性。磁感应强度磁感应强度B 的改动滞后于磁的改动滞后于磁场强度场强度H 的景象称为磁滞景象。的景象称为磁滞景象。 HB+HC-HC+Br-Br+BS-BS+HS-HS0S图5-3 磁芯的磁滞回线 4.1.3 4.1.3 磁性资料的磁化磁性资料的磁化1、初始磁导率、初始磁导率 初始磁导率是磁性资料的磁化曲线始端磁导率的极限值，初始磁导率是磁性资料的磁化曲线始端磁导率的极限值，即：即： 式中式中 m0真空磁导率真空磁导率(4p107H/m) ；H 磁场强度磁场强度(A/m)；B 磁感应强度磁感应强度(T)。2、有效磁

8、导率、有效磁导率mr 在闭合磁路中，或多或少地存在着气隙，假设气隙很小可在闭合磁路中，或多或少地存在着气隙，假设气隙很小可以忽略，那么可以用有效磁导率来表征磁芯的导磁才干以忽略，那么可以用有效磁导率来表征磁芯的导磁才干:式中式中L线圈的自感量线圈的自感量(mH)；N 线圈匝数；线圈匝数；l/Ae 磁磁芯常数，是磁路长度与磁芯截面积芯常数，是磁路长度与磁芯截面积Ae之比值之比值(mm-1)HBLimHi0017e2r104AlNL 5-1 5-2 4.1.4 4.1.4 磁性资料的根本特性磁性资料的根本特性 3、饱和磁感应强度、饱和磁感应强度BS 随磁芯中磁场强度随磁芯中磁场强度H添加，磁感应强

9、度出现添加，磁感应强度出现饱 和 时 的饱 和 时 的 B 值 ， 称 饱 和 磁 感 应 强 度值 ， 称 饱 和 磁 感 应 强 度Bs(mT)(如图如图5-3所示所示)。 4、剩余磁感应强度、剩余磁感应强度Br 磁芯从磁饱和形状去除磁场后，剩余的磁感磁芯从磁饱和形状去除磁场后，剩余的磁感应强度应强度(或称残留磁通密度或称残留磁通密度) (如图如图5-3所所示示)。 5、矫顽力、矫顽力HC 磁芯从饱和形状去除磁场后，继续反向磁化磁芯从饱和形状去除磁场后，继续反向磁化直至磁感应强度减小到零，此时的磁场直至磁感应强度减小到零，此时的磁场强度称为矫顽力强度称为矫顽力(或保磁力或保磁力) (如图如

10、图5-3所所示示) 4.1.4 4.1.4 磁性资料的根本特性磁性资料的根本特性 HB+HC-HC+Br-Br+BS-BS+HS-HS0S图5-3 磁芯的磁滞回线 6、温度系数、温度系数am温度系数为温度在温度系数为温度在T1至至T2范围内变化范围内变化1oC时，每相应磁导率的相对变化量，即时，每相应磁导率的相对变化量，即m1温度为温度为T1时的磁导率；时的磁导率；m2温度为温度为T2时的磁导率时的磁导率7、居里温度、居里温度Tc在该温度下磁芯的磁形状由铁磁性转变成顺磁性。其定义如在该温度下磁芯的磁形状由铁磁性转变成顺磁性。其定义如图图54所示，即在所示，即在mT曲线上，曲线上，80mmax与

11、与20mmax连线与连线与m=1的交叉点相对应的温度，即为居里温度的交叉点相对应的温度，即为居里温度Tc。)(11212112TTTTTC0.8max0.2max=1Ti图 5-4 居里温度Tc定义图 4.1.4 4.1.4 磁性资料的根本特性磁性资料的根本特性 8 8、磁芯损耗、磁芯损耗( (铁损铁损) Pc ) Pc 磁芯损耗包括：磁滞损耗、涡流损耗、残留损耗。磁芯损耗包括：磁滞损耗、涡流损耗、残留损耗。磁滞损耗是交流磁化所耗费的能量，表为磁滞损耗是交流磁化所耗费的能量，表为 作为工程计算，可用式作为工程计算，可用式 计算。计算。其中：其中：f f 频率；频率；BmBm最大磁通密度；最大磁

12、通密度；ChCh磁滞损磁滞损耗系数，因材质而异。耗系数，因材质而异。涡流损耗是交变磁场在磁芯中产生环流引起的欧姆损耗，涡流损耗是交变磁场在磁芯中产生环流引起的欧姆损耗，表表为为 其中其中CeCe磁滞损耗系数，大小取决于资料电阻率。磁滞损耗系数，大小取决于资料电阻率。残留损耗是由磁化延迟及磁矩共振等呵斥，前两项是主要残留损耗是由磁化延迟及磁矩共振等呵斥，前两项是主要的。的。HPfVHdB1.6HhmPCf BV222eemPCfBV 5-3 4.1.4 4.1.4 磁性资料的根本特性磁性资料的根本特性 9、电感系数、电感系数AL 电感系数是磁芯上每一匝线圈产生的自感量，即电感系数是磁芯上每一匝线

13、圈产生的自感量，即 式中：式中：L 有磁芯的线圈的自感量有磁芯的线圈的自感量(H) N 线圈匝数。线圈匝数。)/(22LNHNLA 4.1.4 4.1.4 磁性资料的根本特性磁性资料的根本特性 4.2.14.2.1、磁芯磁性能、磁芯磁性能 各种磁芯材质外表虽类似，但磁性能能够有极大差别。开关电源高频变压器磁芯多是低磁场下运用的软磁资料，它有较高磁导率，低的矫顽力，高的电阻率。磁导率高，在一定线圈匝数时，经过不大的激磁电流就能有较高的磁感应强度，线圈就能接受较高的外加电压，因此在输出一定功率要求下，可减轻磁芯体积。磁芯矫顽力低，磁滞回环面积小，那么铁耗也小。高的电阻率，那么涡流小，铁耗小。金属软

14、磁资料在开关电源中用得较少，只是如铁镍合金、铁铝合金薄片的铁芯根本适宜。有一种软磁资料是铁氧体，铁氧体是复合氧化物烧结体，电阻率很高，适宜高频下运用，但Bs值比金属软磁资料小得多，较普遍运用在开关电源中。在设计时必需从选择适宜的磁芯资料开场。各种铁芯资料之特性比较如下表所示。 类别称号资料导磁率mrBsGskHz特点阐明金属铁芯硅钢片(silicon steel)SiFe180020000约10除坡莫合金外，余皆高磁感应强度。除非晶合金外，宜30kHz以下运用，这些资料电阻率低坡莫合金(permalloyNiFe200007500约30超级坡莫合金supermalloyNiFe10000078

15、00约30钴铁合金(permendur)CoFe80024500约30非晶合金(Amorphous)Fe(Ni,Co)10000015000约1000铁粉磁芯碳基铁粉芯(carbony Iron)Fe3120约9000约300000低导磁率，高磁感应强度，低损失，宜中、高频运用铝硅铁粉芯(Sendust)Al,Si,Fe1080约9000约1000坡莫合金铁粉芯Mo，Ni，Fe14145约8000约300铁氧体磁芯锰锌铁氧体MnZn FerriteMn，Zn，Fe100018000约5000约1000锰锌铁氧体导磁率高，磁感应强度小等，电阻率高，损失低，价钱低宜高频运用镍锌铁氧体(NiZn F

16、errite)Ni，Zn，Fe15500约3000约100000铜镁锌铁氧体CuMgZn FerriteCu，Mg，Zn，Fe约10 约2000004.2.14.2.1、磁芯磁性能、磁芯磁性能 根本构造有：叠片，通常由硅钢或镍钢薄片冲剪成E、I、F、O等外形，叠成一个铁芯；环形铁芯(toroid)，由O型薄片叠成，也可由窄长的硅钢、合金钢带卷绕而成，此形铁芯，绕线困难；C形铁芯，此种铁芯可免去环形铁芯绕线困难的缺陷，由二个C型铁芯对接而成。因此，可用机械绕线，线圈也可填满整个窗口；罐形(POT)铁芯，它是磁芯在外，铜线圈在里，免去环形线圈绕线不便的一种构造方式，可以减少EMI。缺陷是内部线圈散

17、热不良，温升较高，因此只在小功率变换器中运用。 假设把罐形铁芯外园切掉一部分，那么变成通风良好，从而处理温升过高的问题。从改善通风出发因此有图5-5所示的各种磁芯方式。 4.2.24.2.2、磁芯构造、磁芯构造 图 5-5为处理PQ型散热出现的各种铁芯表示图 4.2.24.2.2、磁芯构造、磁芯构造 4.3 4.3 高频变压器设计方法高频变压器设计方法 设计变压器时，该当预先知道电路拓扑、任务频率、输入和输出电压、输出功率或输出电流以及环境条件。同时还该当知道所设计的变压器允许多大损耗。总是以满足最坏情况设计变压器，保证设计的变压器在规定的任何情况下都能称心任务。 变压器的设计主要就是指变压器

18、磁芯选择外形、磁芯截面、窗口截面和绕组设计匝比、匝数、导线截面积等4.3.14.3.1匝数和匝比选取匝数和匝比选取 初级普通电压较高，调整初级匝数和匝比不困难。次级普通匝数较少，任务频率越高，次级有能够只需一匝，甚至少于一匝，假设取整，带来很大匝比误差，同时引起相关问题。 在输出电压比较低时，例如5V，甚至1V左右，限制了匝数和匝比的选择。5V输出次级能够是1匝或2匝，每个线圈阶差1或2匝。计算结果1.5匝，取整能够选择2匝，为坚持原来的匝比，一切线圈匝数添加25。一样尺寸的磁芯和窗口，要在原来的窗口中绕不下总线圈。假设加大了电流密度，那么大大添加了线圈损耗。反之，选择1匝，但磁芯中的磁通密度

19、添加1/3，磁芯损耗能够添加一倍。 4.3.14.3.1匝数和匝比选取匝数和匝比选取 虽然没有通用的快速的选择每个线圈最优匝数的方法，但有普通规律可循。首先，决议额定UiD时到达希望输出电压的线圈之间的理想匝比。接着，在选择某磁芯尺寸后，求得匝比和匝数，但不是实践需求的整数。在取整数匝前最好折衷处置，试试几个能够。从最低电压次级开场，由于小的数字整数化百分比最大。特别是假设低输出电压的次级输出最大负载功率，而主控制回路调理的也是低压输出，最低电压次级匝数上升或下降对整个线圈影响最大。匝数下降将添加磁芯损耗，上升将添加线圈损耗。假设添加的损耗太大，必需重新选择磁芯，以便仅需求很少变动就可调整到整

20、数匝。 4.3.24.3.2高频变压器磁芯选择高频变压器磁芯选择 1 1磁芯资料磁芯资料 功率铁氧体，高频下资料具有很高电阻率，因此涡流损耗功率铁氧体，高频下资料具有很高电阻率，因此涡流损耗低、价钱低是高频变压器磁芯首选资料。但磁导率通常低、价钱低是高频变压器磁芯首选资料。但磁导率通常较低，磁化电流因此较大，有时需用缓冲和箝位电路处较低，磁化电流因此较大，有时需用缓冲和箝位电路处置。置。 对于合金资料磁芯，如钴基非晶合金和微晶合金，这些资对于合金资料磁芯，如钴基非晶合金和微晶合金，这些资料具有较高的电阻率，通常轧成很薄的带料，可以用在料具有较高的电阻率，通常轧成很薄的带料，可以用在较高频率。普

21、通合金资料虽然饱和磁通密度比铁氧体资较高频率。普通合金资料虽然饱和磁通密度比铁氧体资料大得多，这通常是无关紧要的，由于磁通密度摆幅严料大得多，这通常是无关紧要的，由于磁通密度摆幅严重受涡流损耗限制。同时价钱要素也影响资料的选择。重受涡流损耗限制。同时价钱要素也影响资料的选择。在高温暖冲击、振动大的地方，需采用合金资料磁芯外，在高温暖冲击、振动大的地方，需采用合金资料磁芯外，普通变压器磁芯最好选择铁氧体。普通变压器磁芯最好选择铁氧体。 4.3.24.3.2高频变压器磁芯选择高频变压器磁芯选择2 2磁芯外形磁芯外形 磁芯窗口应尽能够宽。加大线圈宽度可减少线圈的层数。使磁芯窗口应尽能够宽。加大线圈宽

22、度可减少线圈的层数。使交流电阻交流电阻RacRac和漏感减少。还有，固定的爬电尺寸对宽窗和漏感减少。还有，固定的爬电尺寸对宽窗口影响较小。宽窗口需求线圈高度低，因此更好利用线圈口影响较小。宽窗口需求线圈高度低，因此更好利用线圈窗口面积。窗口面积。铁氧体磁芯有罐型铁氧体磁芯有罐型( (国产国产GUGU型，国际型，国际P P型型) )、PMPM、RMRM、PQPQ、EEEE、ECEC、EPEP、ETDETD、RCRC、UUUU和和UIUI各种型号，以及新近开展的平各种型号，以及新近开展的平面磁芯，如面磁芯，如EFD,EPC,LPEFD,EPC,LP型等磁芯。型等磁芯。 罐型和罐型和PQPQ型磁芯具

23、有较小的窗口面积，窗口外形几乎是正方型磁芯具有较小的窗口面积，窗口外形几乎是正方的。罐的。罐(P)(P)型和型和PQPQ型磁芯比型磁芯比EEEE磁芯有较好的磁屏蔽的优点，磁芯有较好的磁屏蔽的优点，减少了减少了EMIEMI的传播，用于的传播，用于EMCEMC要求严厉的地方。爬电尺寸耗要求严厉的地方。爬电尺寸耗费了窗口面积的大部分，窗口宽度远不是最正确，只用于费了窗口面积的大部分，窗口宽度远不是最正确，只用于125W125W以下低功率场所。大功率运用散热困难。缺陷是引出以下低功率场所。大功率运用散热困难。缺陷是引出线缺口小，大电流出线困难。也不适宜多路输出，输出出线缺口小，大电流出线困难。也不适宜

24、多路输出，输出出线太多。也不宜高压运用，由于出线的平安绝缘处置困难。线太多。也不宜高压运用，由于出线的平安绝缘处置困难。 4.3.24.3.2高频变压器磁芯选择高频变压器磁芯选择EE，EC，ETD，LP磁芯都是E型磁芯。相对于外形尺寸来说有较大的窗口面积，同时窗口宽而高度低的构造，漏磁及线圈层数少，高频交流电阻小。开放式的窗口没有出线问题，线圈与外界空气接触面大，有利于空气流通，散热方便，可处置大功率。但电磁干扰较大。 EC，ETD磁芯的中柱圆形截面与EE型一样矩形截面积时，圆形截面每匝线圈比矩形短大约11，即电阻少11，线圈损耗和温升也相应降低。但是EE型磁芯尺寸齐全，根据不同的任务频率和磁

25、通摆幅，传输功率范围从5W到高达5kW。假设将两副EE型磁芯合并作为一体运用，传输功率甚至可达10kW。两副磁芯合并运用时，磁芯面积加倍，如磁通摆幅和频率坚持不变，匝数减少一半，功率加倍比运用下一个大尺寸的磁芯体积要小。 4.3.24.3.2高频变压器磁芯选择高频变压器磁芯选择(3) (3) 磁芯尺寸选择磁芯尺寸选择 磁芯尺寸的选择最常用的有三种方法，第一种是磁芯尺寸的选择最常用的有三种方法，第一种是先求出磁芯窗口面积先求出磁芯窗口面积AwAw与磁芯有效截面积与磁芯有效截面积AeAe的的乘积乘积AP(APAP(APAwAwAeAe，称磁芯面积乘积，称磁芯面积乘积) )。根据。根据APAP值，查

26、表找出所需磁性资料之编号，谓之值，查表找出所需磁性资料之编号，谓之APAP法；第二种是先求出几何参数，查表找出磁芯法；第二种是先求出几何参数，查表找出磁芯编号，再进展设计，称为编号，再进展设计，称为KgKg法；第三种是直接法；第三种是直接根据电路拓扑、输出功率、开关频率、磁芯资根据电路拓扑、输出功率、开关频率、磁芯资料和外形查表得出磁芯型号，为查表法。这里料和外形查表得出磁芯型号，为查表法。这里我们主要引见我们主要引见APAP法。法。 4.3.24.3.2高频变压器磁芯选择高频变压器磁芯选择 APAP法阅历公式：法阅历公式： 其中其中 Po Po 输出功率输出功率(W)(W)； DB DB 磁

27、通密度变化量磁通密度变化量(T)(T)； fS fS 变压器任务频率变压器任务频率(Hz)(Hz)； K 0.014 K 0.014正激变换器，推挽中心抽头正激变换器，推挽中心抽头 0.017 0.017全桥，半桥。全桥，半桥。 公式是基于线圈电流密度公式是基于线圈电流密度420A/cm2420A/cm2，并假定窗，并假定窗口充填系数是口充填系数是4040。 cm4cm43/4SoWeBKfPAAAP 5-5 4.3.34.3.3正激变换器的磁芯尺寸计算正激变换器的磁芯尺寸计算 正激电路和初级电流波形如上一讲图44、45所示。普通输出电流脉动分量I=0.2Io， Io次级斜坡电流的中值。如忽略

28、磁化电流，初级电流峰值为Ii= Io/n。在最低输入电压时保证输出电压。正激变换器的最大占空比该当小于0.5。同时为了能接受突加负载等影响，最大占空比选择为0.4，因此，输出功率 因线圈导线直径用电流有效值计算的，矩形波电流有效值与电流峰值的关系为 或 Idc=1.58Idcminidcimindciminio32. 04 . 08 . 0IUIUIDUPPdcdcdc632. 04 . 0IIDII 5-6 5-7 4.3.34.3.3正激变换器的磁芯尺寸计算正激变换器的磁芯尺寸计算因此：由电磁感应定律得到其中 Ui 变压器初级电压(V)；NP 变压器初级匝数；Ae 磁芯的有效截面积(m2)

29、；DB在导通时间内磁通密度摆幅(T)；ton 导通时间sIUIUIUPminiminidcminio506. 058. 132. 032. 0onePitBANU 5-8 5-9 4.3.34.3.3正激变换器的磁芯尺寸计算正激变换器的磁芯尺寸计算 在Uimin时 将式59代入到式(58)中得到 Tf/1STBtB4 . 0/maxmaxon4 . 0506. 0506. 0SmaxePminiofBAINIUPIfABNSemaxP265. 1 5-10 4.3.34.3.3正激变换器的磁芯尺寸计算正激变换器的磁芯尺寸计算 假设假定初级和一切次级线圈的电流密度一样。忽略复位线圈所占的窗口，因

30、仅流过磁化电流。令磁芯窗口面积，初级线圈面积，一切次级线圈面积和初级1匝线圈截面积分别为AW，A1，A2和APi(cm2)。假设充填系数为0.4，且A1A2，有 或 5-11 电流密度jA/cm2为 或 5-12PiPW12 . 0ANAAPWPi2 . 0NAAPiAIj PWPi2 . 0NjAjAI4.3.34.3.3正激变换器的磁芯尺寸计算正激变换器的磁芯尺寸计算 将式(5-12)代入式(5-10),思索到j =400A/cm2，得到 或 式中 Po 变换器输出功率W； Ae 磁芯截面cm2； AW磁芯窗口面积(cm2)； fS 变压器任务频率(Hz)。4PWSemaxPSemaxPo

31、102 . 0265. 1265. 1NjAfABNIfABNP2WemaxS10012. 1AABfmaxSoWe99BfPAAAP5-145-134.3.44.3.4推挽变换器的磁芯尺寸计算推挽变换器的磁芯尺寸计算 推挽功率变换器实践是两个正激变换器组合而成的。假设条件与正激一样：=0.8，2Dmax=0.42=0.8。同时初级电流的有效值与平均值的关系Idc=1.58I。因此有 5-15 仍假定充填系数为0.4。初、次级电流密度一样。初级和次级线圈各占骨架窗口一半。初级有两个线圈，由式5-11有 或 5-16IUIDUPidcminmini001. 12PiPW122 . 0ANAAPW

32、Pi1 . 0NAA4.3.44.3.4推挽变换器的磁芯尺寸计算推挽变换器的磁芯尺寸计算由式5-9得到 5-17思索到式516，得到 5-18maxeSPemaxPonePi54 . 02BAfNTABNtBANU4PWmaxeSPminio101 . 005. 501. 1NAjBAfNIUP2maxWeS5maxWeS1002. 21005. 5BAAfBAAjf4.3.44.3.4推挽变换器的磁芯尺寸计算推挽变换器的磁芯尺寸计算 面积乘积为： 式中 Po 变换器输出功率W； Ae 磁芯截面cm2； AW磁芯窗口面积(cm2)； fS 变压器任务频率(Hz)。 比较式5-17和5-13可见

33、，一样磁芯、频率和电流密度条件下，推挽比正激输出功率大一倍。 5-19maxSoWe50BfPAAAP4.3.5半桥和全桥变换器的磁芯尺寸计算 依然假定在最低输入电压时，最大占空比为0.8，晶体管最大导通时间为0.8T/2。效率为0.8。线圈铜充填系数为0.4。其他符号与推挽、正激一致。 半桥变压器初级线圈正向和反向对称流过电流，初级电流有效值为 或 那么输出功率 dcdc894. 08 . 0IIIII12. 1dcIUIUDIUPdcminiminiiminio358. 012. 15 . 08 . 08 . 025-205-214.3.5半桥和全桥变换器的磁芯尺寸计算 而初级线圈铜面积为

34、 或 5-22 于是 变压器初级电压UP=Ui/2,根据电磁感应定律得到 式中B=2Bmax，Dmax=0.8。 PiPW12 . 0ANAAPWPi2 . 0NAAPWPi2 . 0NjAjAImaxeSPemaxPmaxePi104 . 042/2BAfNTABNTDBANU5-235-244.3.5半桥和全桥变换器的磁芯尺寸计算 将式5-23，5-24代入式5-21得到 面积乘积为 式中 Po 变换器输出功率W； Ae 磁芯截面cm2； AW磁芯窗口面积(cm2)； fS 变压器任务频率(Hz)。4PWmaxeSPminio102 . 010358. 0358. 0NAjBAfNIUP)

35、(0286. 0maxWeSWBAAfmaxSoWe35BfPAAAP5-255-264.3.5半桥和全桥变换器的磁芯尺寸计算 全桥变压器初级电压比半桥大一倍，一样的磁芯，线圈匝数大一倍。假设输出一样的功率，半桥初级比全桥导线截面积大一倍，因此半桥和全桥初级线圈所占窗口面积是一样的。磁芯一样，任务条件一样，输出功率也一样。 任务频率在50kHz以下，可选电流密度为4A/mm2，当开关频率升高时，思索到集肤效应，电流密度可适当减小。 4.3.64.3.6常见磁芯的构造参数常见磁芯的构造参数 EEEE磁芯外形和构造表示图如图磁芯外形和构造表示图如图5-65-6所示，外形参数可参所示，外形参数可参考

36、相关资料。考相关资料。 图56 EE磁芯外形和构造表示图 B F C D E A 4.3.64.3.6常见磁芯的构造参数常见磁芯的构造参数型号Type尺寸Dimensionsmm磁芯参数ALnH/N2ABCDEFAemm2Awmm2APmm4HP1HP2LP3EEL1616.012.24.804.0012.010.219.2081.601566.72 800EE1919.18.004.804.8014.05.7023.0452.441208.22 17301150EEL1919.013.654.854.8514.011.423.52104.32453.63E2020.

37、510.77.005.0014.07.0035.0063.002205 23401700EE2222.010.255.504.0016.57.8022.00 97.50 2145.00 17401000EE2525.010.06.556.5518.66.8042.9081.94 3515.43 355044501950EE25.425.410.06.306.5018.76.6040.95 80.523297.29 26302000EEL25.425.415.856.356.3519.012.740.32160.666478.01 25001330EE3333.013.7512.79.7023.

38、59.25123.19127.65 15725.2 3940EE33A33.413.9512.79.7024.69.65123.19143.79 17712.9 3700EE4242.1521.115.012.029.515.2180.00266.00 47880 4700EE42A42.1521.119.7512.029.515.2237.00266.0063042 6400EE5050.021.5514.614.634.213.1213.16256.76 54731 6110EE5555.1527.520.717.037.518.8351.90385.40622 7100EE55B55.1

39、527.524.717.037.518.8419.90385.40 161829 7200EE6565.232.527.019.6544.222.55530.55553.60293714 7800EE7070.535.524.516.748.024.65409.15771.55 315678 65004.3.64.3.6常见磁芯的构造参数常见磁芯的构造参数 EI磁芯外形和构造表示图如图5-7所示，构造参数可参考相关资料。 ADEIFBC图5-7 EI磁芯外形和构造表示图4.3.64.3.6常见磁芯的构造参数常见磁芯的构造参数型号Type尺 寸Dimensionsmm磁芯参数ALnH/N2ABC

40、DEFAemm2Awmm2APmm4HP1HP2LP3EI16B16.16.59.03.012.55.01.527.00 23.75 641.25 EI1616.014.74.84.0011.810.82.0019.20 42.12 808.70 19502400 EI1919.015.94.854.8514.011.32.3523.5251.70 1216.05 23502900 EI2222.214.45.755.8012.810.54.533.35 36.75 1225.61 45007150 EI22A22.019.05.755.7516.011.04.0033.0656.38 186

41、3.90 35004350 EI2525.119.06.756.5019.113.252.7543.8883.48 3662.47 35004300 EI2828.020.810.77.2018.612.83.5077.0472.96 5620.84 70009000 EI3030.021.2510.710.719.516.255.50114.4971.50 8186.04 8900 EI3333.023.512.79.723.619.05.00123.19132.05 16267.24 EI4141.026.211.811.828.020.27.20.24163.62 22782.45 EI

42、5050.033.314.814.834.024.89.00219.04238.08 52149.04 11300 EI7070.045.519.519.550.035.510.5380.25541.38 205857.8 4.3.74.3.7线线 圈圈 电磁元件中，普通不能够没有线圈。在低频时，根据线圈直流电阻引起的允许损耗设计线圈。在给定损耗和散热条件下，选取磁芯和导线尺寸。而低频变压器的寄生参数如漏感和激磁电感对变压器影响较小，构造工艺已非常成熟。在高频开关电源中，损耗依然是高频磁性元件设计的重要根据。但随着开关电源任务频率添加，高频电流在线圈中流通产生严重的高频效应，加之寄生电感、电容

43、的影响大大地损害了开关电源电路的性能效率降低、电压尖峰、寄生振荡和电磁干扰等。为了对付寄生效应产生的有害影响，电路上采用了缓冲、箝位等措施改善高频开关电源的性能，从而使电路复杂化，可靠性降低。 4.3.84.3.8集集 肤肤 效效 应应 当导体经过高频电流时，变化的电流就要在导体内和导体外产生变化的磁场垂直于电流方向，根据电磁感应定律，高频磁场在导体内沿长度方向产生感应电势。此感应电势在导体内整个长度方向产生的涡流阻止磁通的变化。主电流和涡流之和在导线外表加强，越导游线中心越弱，电流趋向于导体外表，这就是集肤效应，如图5-8所示。 IB图5-8 高频电流引起集肤效应 4.3.84.3.8集集

44、肤肤 效效 应应 当交流的电流流过导体的时候，会在导体中产生感应电流，从而导致电流导游体外表分散。也就是导体外表的电流密度会大于中心的电流密度。这也就无形中减少了导体的导电截面，从而添加了导体交流电阻，损耗增大)。会引起电线有效截面积的减小，取导线直径约为2，其中集肤深度(工程上规定从导体外表到电流密度为导体外表的1/e0.368的间隔为集肤深度)为 普通磁性元件的线圈温度高于20。在导线温度100时，穿透深度：2f1 .66f5 .764.3.94.3.9计算线圈电流有效值计算线圈电流有效值 线圈发热是功率损耗引起的。在高频情况下，交流分量电流产生交流电阻损耗，直流分量产生直流电阻损耗。总损

45、耗是两者之和。因此计算线圈损耗前该当计算线圈电流的有效值。 在开关电源中，有如图5-9几种能够的电流波形。其峰值IP，平均值Idc 和有效值I关系分别计算如下： (a) (b) (c)图5-9 开关电源中典型的电流波形TTTIPIPIPIaIaIaTonTonTonII4.3.94.3.9计算线圈电流有效值计算线圈电流有效值A A、梯形波、梯形波开关电源中最常见的电流波形是梯形波开关电源中最常见的电流波形是梯形波( (图图5-9(a)5-9(a)。例如推挽变压器初级电流，正激变压器初级和次例如推挽变压器初级电流，正激变压器初级和次级电流，电感电流延续方式单端反激变压器初级级电流，电感电流延续方

46、式单端反激变压器初级电流等等。高电平常间定义为电流等等。高电平常间定义为TonTon，周期为，周期为T T，峰，峰值电流为值电流为IPIP，脉动分量为，脉动分量为DIDI。占空比。占空比D=Ton/TD=Ton/T，梯形波中值梯形波中值Ia=IP-DI/2 Ia=IP-DI/2 ，电流波形的表达式为，电流波形的表达式为 )(0)0(2onn0aTtTiTttTIIIion4.3.94.3.9计算线圈电流有效值计算线圈电流有效值电流平均值，即直流分量： 电流总有效值：根据有效值定义 5-28近似得到 a0ona0dconon211DIdttTIIITidtTITT1221122a02ona02o

47、nonIIDdttTIIITdtiTITTDIIa5-275-294.3.94.3.9计算线圈电流有效值计算线圈电流有效值B、断续三角波、断续三角波 三角波电流波形三角波电流波形(图图5-9(b)通常出如今电感电流断通常出如今电感电流断续形状。三角波各个电流关系为：续形状。三角波各个电流关系为：电流平均值电流平均值 5-30电流总有效值电流总有效值 5-31 2PdcDII3124P2P2PDIDIDII4.3.94.3.9计算线圈电流有效值计算线圈电流有效值C、延续三角波、延续三角波 电感电流延续时波形如图电感电流延续时波形如图5-9(c)。它是直流分量和一个幅度。它是直流分量和一个幅度I/2 的三角波叠加而成的电流平均值的三角波叠加而成的电流平均值 电流总有效值电流总有效值 adcIIa22a12IIII5-325-334.3.104.3.10变压器线圈导线的选择变压器线圈导线的选择 小电流时可直接选择圆导线，导线直径小于2倍的集肤深度； 电流较大时，可选择多股绞绕圆导线，AWG园导线规格表见表教材所示。 电流较大时，也可以选择利兹线或铜箔。但利兹线中单股线的直径必需小于2倍的集肤深度，或铜箔的厚度小于集肤深度。