《磁元件知识简介》课件

2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料1

磁性元件知识简介

合肥磁越电子科技有限公司程心前2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料2第一章磁的基本知识磁性是自然界中某些物质（如铁、钴、镍等）的特殊的物理性能。电磁存在两种不同的计量单位——国际单位制（MKS制，即米-千克-秒制）和实用单位制（cgs制，即厘米-克-秒制）1.真空中的磁特性一段载有直流电流I的长直导线在导线周围产生一圆形磁场如图所示，一直导线周围磁力线的方向可用“右手定则”来决定:当用右手抓住导体，拇指的方向使电流流动的方向时，其他手指的指向就是磁力线的方向。2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料3第一章磁的基本知识2.磁场的增强当电流流过一根导线时,在其周围建立磁场,如果同样的两个导体放的很近,则磁场将加强。如果将导线绕在一个骨架上,磁场将会大大加强。磁通的大小由线圈N及I决定B=μ0H在cgs中,μ0=1如果线圈被冷却,可以获得很高的磁场。2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料4第一章磁的基本知识3.简单的变压器由两个空心线圈组成,其中一次线圈被接到交流电源,二次线圈开路。一次线圈产生的磁通仅有一部分进入二次线圈,其余磁通则通过空间闭合。进入二次线圈的磁通即为主磁通,其余没有进入二次线圈的磁通则为漏磁通由漏磁通形成的电感即使漏感。漏感由线圈的匝数及两线圈的相对位置决定,2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料5第一章磁的基本知识4.磁芯多数材料是磁通的不良导体,它们的磁导率都很低,真空的磁导率是1,非导磁材料,如空气、纸和铜、铝等具有同样数量级的磁导率。有一些材料如铁、镍、钴和它们的合金具有高的导磁率,为了使如上图所示的空心线圈磁性能得到改善,现引入一个磁芯,如下图所示,在空心线圈中放入一个磁芯的优点除了使其磁导率增加以,磁路长度也明确了。磁通基本上被限制在磁芯中。在磁芯进入饱和前,磁性材料中能产生多少磁通使存在一个界限点。2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料6第一章磁的基本知识5.磁芯的饱和对于一个被完全退了磁的铁磁材料用外施的磁场强度去激励,并且使磁场强度H从零慢慢增加,其结果如下图所示。刚开始的时候,磁通感应强度B很慢第增加到A点,然后很快增加到B点,接着几乎停止了增加。B点被称为曲线的拐点,在C点磁性材料已经饱和。这个点以后的斜率为1以后的特性就呈现空心线圈的特性。2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料7第一章磁的基本知识磁芯的饱和过程见下图,磁芯中的磁通是从磁芯内侧逐步到磁芯的外侧扩散,直至磁芯的完全饱和。2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料8第一章磁的基本知识6.磁滞回线（B-H回线）当磁性材料进行一个磁化和去磁的完整周期后,其结果如图所示。这个图表示从一个中性的磁性材料,即其B-H回线通过原点X开始。当H增加时,磁通密度沿着虚线增加。到饱和点Bs。这时当H减小时,B-H回线将沿着一个较高水平的路径回到Br,此处H为零且磁芯仍处于被磁化状态。这一点的磁通Br被称位剩余磁通。现在把磁场强度H的极性反过来以给出其负值,使磁通密度Br减少到零所需要的磁场强度被称为矫玩力Hc,当磁芯被进一步反向驱动到H时,磁芯中的磁通密度到达-Bs。磁滞回线表征了磁芯中的能量损失,磁滞回线所合围的面积是磁芯材料在一个周期总能量损失的量度,在交流应用的情况下,频率越高能量损失越多。2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料9第一章磁的基本知识7.磁导率磁性材料的磁导率是材料被磁化的难易程度。磁导率μ是磁感应强度B对磁场强度H的比值，为μ=B/H在cgs制中真空中的绝对导磁率是1（Gs/Oe），即cgs:μ0=1MKS:μ0=4πx10-7（H/m）下面介绍几种导磁率定义:1）μ0绝对导磁率，用真空中的导磁率来定义；2）μi初始导磁率，是磁化曲线在原点的斜率，它是在很小的磁感应强度内测量的。3）μr相对导磁率，是材料的导磁率相对于真空导磁率的比值；2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料10第二章磁性材料及特性在第一章介绍的磁滞回线中，如果磁性材料的磁滞回线很宽，即Hc很高，需要很大的磁场强度（＞40A/cm）才能将磁性材料磁化到饱和，同时需要很大的反向磁场才能将材料中的磁感应强度下降到零，也就是说这类材料磁化困难，去磁也困难，我们称这类材料为硬磁材料。铝镍钴、钕铁硼合金等永久磁铁，常用于电机激磁和仪表产生恒定磁场。另一类材料在较弱外磁场（＜8A/cm）作用下，磁感应强度达到很高的数值，同时矫玩力也很低，既容易磁化又容易退磁。我们称这类材料为软磁材料。开关电源主要应用软磁材料。软磁材料主要为以下几种材料:硅钢，铁镍合金，铁钴合金，非晶态金属合金，磁粉芯及铁氧体。磁性物质在交流磁化过程中，因消耗能量发热而存在磁芯损耗，磁芯损耗由两部分组成:①磁滞损耗；②涡流损耗。磁滞损耗是磁滞回线包围的面积在被磁化的中能量损失。涡流损耗是磁通线通过磁芯在磁芯中感应的电流所引起的能量损失。这些电流即是涡流，如果磁芯的电阻高，则电流就小，所以低损耗材料的特点是电阻率高。2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料11第二章磁性材料及特性1.硅钢硅钢是一种含硅量在5%以下的铁硅合金。一般含硅量为2.3%~3.6%。在铁中加硅元素的目的是为了降低涡流损耗和磁滞损耗及提高电阻率。该材料主要应用在400Hz以下的低频场合。通常采用一定厚度碾轧晶粒取向的带料此材料的特点是饱和磁通密度Bs（1.8~2.0T）高,价格低廉。常用材料有,日本进口23ZDKH85L30ZH10530ZH120等,国内有27DQ100,30DQ110,30DQ120等形成的成品铁芯有CD型,环型,EI型,O型,ED型,R型等2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料12第二章磁性材料及特性2.铁镍软磁合金铁镍软磁合金通常称为坡莫合金。具有极高的导磁率、极低的矫玩力和磁化曲线高矩形比的软磁材料。主要应用在要求体积、重量严格的军工产品，应用产品主要有:高灵敏导磁元件、磁放大器，互感器等。虽然坡莫合金具有优良的磁特性，但由于含镍等贵重元素较多，成本昂贵，同时磁性能对工艺因素的变动十分敏感，在实际生产中较难保证产品性能及其一致性。一般的机械应力对磁性能影响也非常显著。通过卷绕成环型并装在非磁的保护壳内。典型物理性能（1J85）:密度d=8.5g/cm3，居里温度Tc=400℃常用牌号:1J79，1J852021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料13第二章磁性材料及特性3.铁钴软磁合金铁钴软磁合金为含钴27%~50%，其余为铁（或含有其他元素）的软磁合金。其主要特点是具有较高的机械强度和高的饱和磁感应强度（Bs可高达2.45T），是目前使用的软磁材料中Bs最高的合金。铁钴软磁合金的缺点是:钴含量在40%~60%时，合金变脆，电阻率也很低不易在高频下使用；钴价极高，故合金成本很高。在铁钴合金中添加其他合金的方法，如添加2%的钒（V）等可改善脆性，使其可以冷加工，同时电阻率也明显提高。目前主要应用在航空400Hz电源变压器上的为Co50-Fe型合金（含2%的钒）牌号为1J22合金，也称铁钴钒合金。带厚为0.1mm，损耗在1.8T/400Hz条件下，损耗为:20W/Kg材料价格约1500元/公斤。2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料14第二章磁性材料及特性4.非晶合金和微晶合金前面介绍的各类软磁合金都是结晶态合金,其原子、分子在空间排列具有周期性和平移对称性。非晶态软磁合金材料结构与上述不同,其原子、分子不呈有序排列状态,没有晶态合金的晶粒、晶界存在,故称为非晶态合金。这种结构类似于玻璃,因此也称为金属玻璃。它采用冷却速度大约106℃/秒的超急冷凝固技术,从钢液到薄带一次成型。合金凝固时原子来不及有序排列结晶,而得到的无序的固态合金。非晶合金分成铁基、铁镍基、钴基和超微晶合金四大类。①铁基非晶合金的Bs（1.4T~1.8T）高,磁芯损耗比硅钢低很多（1/3~1/5）,价格比硅钢高,适用于制造中频和工频变压器。特别是代替硅钢做配电变压器,可大大节约能源,目前由于工艺及价格原因还没有大批量得替代。②铁镍基非晶合金具有中等得饱和磁感应强度Bs（0.7T~1.2T）较低地损耗和很高的导磁率。经磁场退火后可以得到很好的矩形磁滞回线。在应用上基本上与中镍坡莫合金相对应。它地低损耗和高机械强度地性能又远优于晶态合金。主要应用于漏电开关,精密电流互感器磁芯和磁屏蔽等领域。2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料15第二章磁性材料及特性③钴基非晶合金地磁导率极高，而矫玩力也极低。高频下磁芯地损耗也最低，使用于几十到几百千赫兹，受机械应力磁化曲线几乎不发生变化。但其饱和磁感应Bs（0.5T~0.8T）比较低，价格昂贵适用于双极性磁化的小功率变压器及磁放大器及和尖峰抑制磁珠。④铁基微晶合金是首先备制非晶带料，经过热处理后获得到晶粒直径10~20nm的微晶，因此称微超微晶材料或纳米晶材料。该合金几乎综合了所有非晶合金的优异性能:高初磁导率（105）、高饱和磁通密度（1.2T），低损耗（P0.2/50K=15W/KG）以及优良的温度稳定性。由于铁基超微晶合金的损耗接近钴基非晶合金，又明显小于铁基非晶合金，而饱和磁感应强度比钴基非晶合金要高很多，温度稳定性与坡莫合金相当，但价格低廉，故在20Kz以上，100KHz以下的应用场合，特别是在大功率变压器方面与其他材料相比有着明显的优势。广泛应用于大功率高频变压器，共模电感和滤波电感磁芯。2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料16第二章磁性材料及特性超微晶软磁合金性能2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料17第二章磁性材料及特性5.磁粉芯磁粉芯通常是由磁性材料极细粉末和作为粘结剂的复合物混合在一起，通过模压、固化成一般形状的粉末金属磁芯。由于磁粉芯中存在大量非磁物质，相当于在磁芯中存在许多分布的气隙。这些分布气隙中可以存储相当大的能量，因此磁粉芯可以作为滤波电感及反激变压器的磁芯。磁粉芯根据含磁性材料粉末的不同分为四类:①铁粉芯:其成分是极细的铁粉和有机材料粘合。磁导率在10~75之间，成本较低具有较好的偏磁特性，但在高频下磁芯损耗较高。适宜于制作差模电感滤波器及直流滤波电感。常用的材质编号有-26（μe=75，黄/白），-52（μe=75，绿/蓝），-40（μe=60，绿/黄），-35（μe=33，黄/灰）等。还有一种羰基铁粉芯，由超细纯铁粉制成，导磁率较低为10，具有优异的偏磁特性和很好的高频适应性，由于具有较低的高频涡流损耗，可以应用到100kHz到100MHz很宽的范围内。②铁硅铝:合金成分为铁85%，硅9%，铝6%；损耗较低。具有良好的性能价格比一般应用于300Hz以下的场合，适宜制作高频PFC电感，输出电感等。导磁率为:26，60，75，90，1252021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料18第二章磁性材料及特性③高磁通磁粉芯:合金成分镍50%，铁50%；因镍成本高，所以比铁粉芯和铁硅铝贵；在所有的磁粉芯中磁通密度最高（Bs=1.5T）；磁性损耗高于铁硅铝而低于铁粉芯，磁导率26，60，125。特别适用于制造高功率密度的电感类器件。④铁镍钼粉芯:合金成分:铁17%，镍81%，钼2%；在所有的磁粉芯中损耗最低饱和磁密也最低，因镍含量高价格很贵；温度稳定性好，磁导率常为26，60，125开关电源因应用频率较高，铁粉芯损耗较大，没有铁硅铝适用。但因其成本低廉目前仍在大量使用。铁硅铝损耗较低，价格较适中目前广泛应用在开关电源滤波中。高磁通粉芯及铁镍钼粉芯因价格较贵一般用于军品或重要的储能元件。2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料19第二章磁性材料及特性6.铁氧体在开关电源中应用最多的材料是软磁铁氧体。主要有两类:MnZn铁氧体和NiZn铁氧体。①铁氧体的组成和基本特性: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（Mn，Zn，Ni，Cu，Fe等）组成。最普通的是锰和锌，或镍和锌。再加入其它元素，达到所希望的磁特性。将这些极细的粉末，加入适当的黏合剂经均匀混合、成型，再高温烧结,形成各种形状的磁芯。在居里温度下，表现出良好的磁特性。它们容易被磁化，并且有很高的电阻率。镍锌铁氧体具有更高的电阻率，它适合工作在1MHz以上的场合；而锰锌铁氧体电阻率相对较低，通常工作在1MHz以下，但具有很高导磁率和较高的饱和磁密BS。铁氧体磁芯根据不同原料的配比，可获得不同的性能:如电阻率、初始导磁率饱和磁感应、居里温度、损耗的温度特性等。②铁氧体的应用参数:下表是一些厂商氧体磁芯的特性2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料20第二章磁性材料及特性2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料21第二章磁性材料及特性2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料22第二章磁性材料及特性2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料23第二章磁性材料及特性2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料24第二章磁性材料及特性2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料25第二章磁性材料及特性2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料26第二章磁性材料及特性2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料27第二章磁性材料及特性2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料28第二章磁性材料及特性2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料29第二章磁性材料及特性2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料30第二章磁性材料及特性2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料31第二章磁性材料及特性铁氧体与其他软磁材料比较,虽然饱和磁感应较低,而且温度影响大,但其电阻率高,高频损耗小。在高频时,由于损耗限制了B的取值,工作磁感应远小于饱和磁感应Bs。因此Bs低的缺点几乎可以忽略了。另外铁氧体已有多种材料和规格满足各种要求,价格也低廉,铁氧体是目前在开关电源中应用最广的材料。大量适用于功率变压器磁芯,滤波电感,电流互感器以及电磁兼容共模电感等。2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料32第三章线圈1.窗口利用系数窗口利用系数Ku是线圈铜占有的总面积与窗口面积之比。窗口利用系数与电压等级、环境条件和工艺结构等因素有关。电压等级越高,环境越恶劣,绝缘要求越高,窗口系数越小。线圈一般由一个骨架,骨架放置在中柱上。按1/2初级-次级-1/2初级次序绕制在骨架上。在两个半初级与次级之间,各有一个屏蔽层,一般在线圈和线圈之间线圈和屏蔽之间都要放置绝缘。国际上的认证TUV,UL等均规定了变压器绝缘安全距离要求,在线圈间应有3层绝缘,初次级两端的绝缘挡墙为3~4mm。特别是对于低功率的小磁芯变压器,严重影响了窗口的利用率同时也导致初级漏感的增加,在实际使用中往往会使用三层绝缘线来提高窗口的利用率。还有绕组的线径,绕制工艺等均不同程度地影响窗口利用系数。在实际使用中变压器Ku一般分布在0.15~0.4之间。2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料33第三章线圈2.趋肤效应当导体通过高频电流时，变化的电流就要在导体内和导体外产生变化的磁场并垂直于电流方向，变化的磁场会在导体内长度方向产生涡流，主电流与涡流在导体表面加强在导线中心区域减弱。电流趋向于导体表面，这就是趋肤效应。研究表明，导线中电流密度从导体表面到中心按指数规律下降。导体的有效截面减小电阻加大。工程上定义从导体表面到电流密度下降到表面电流的0.37（1/e）的厚度为趋附效应深度或穿透深度⊿，既认为表面下深度为⊿的厚度导体流过导线的全部电流，而在⊿层以外的导体完全不流过电流式中:⊿为趋肤深度，f为频率，Hz如在频率f=100Hz时，⊿=0.209mm导线线径应不大于2⊿=0.418mm当所选导线大于两倍⊿时，实际应用中大直径的导线应多股细导线或铜箔替代。2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料34第三章线圈3.邻近效应邻近效应是由于邻近处另外绕组产生的磁场在本导线中产生的涡流引起的。涡流在在导线一侧增强了电流,而在另一侧减弱了电流。对于多层线圈,邻近效应引起比较严重的交流损耗。如果初级线圈有n层,初级第n层内表面最大电流是低频电流的n倍,其外表面反向电流是低频电流的n-1倍。如果电阻相同,n层的损耗是它的第一层损耗的（n-1）2+n2倍。2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料35第三章线圈4.变压器线圈的漏感在实际变压器中，如果初级磁通不全部匝链次级就产生了漏感。漏感是一个寄生参数。以单端变换器为例，功率开关由导通状态变为关断时，漏感存储的能量就要释放，会产生很大的尖峰电压，造成器件的损坏和很大的电磁干扰。虽然在电路中可增加缓冲电路抑制干扰和能量会收，但应首先在磁芯选择、绕组结构、和工艺上尽可能减小漏感。如图是一个典型的EE型变压器，线圈绕在中柱上，初级在外占窗口高度为b，次级在内占高度为d，两线圈间隙为c。经理论推导，初级漏感为:漏感与初级匝数的平方成正比，与窗宽l成反比，线圈之间的间隔c越小，漏感也越小。对于一个符合绝缘和安全性能要求的高频变压器来说，通常将变压器的漏感控制为初级电感量的0.5%~5%2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料36第三章线圈对于磁芯无气隙的型号相对较大的变压器，漏感一般为初级电感量的0.5%左右，磁芯含有气隙的变压器，漏感一般为初级电感量的2%~5%左右。在实际产品中，测试频率的不同也可能在很大程度上影响漏感的测试值。特别是较小的变压器时，如某款EE16，在1KHz/0.3V测试时，电感为1.8mH，测试漏感为1.2mH；在50KHz/0.3V测试时，漏感为110μH。下面是减小变压器漏感的措施:减少初级线圈匝数；使用宽度答磁芯，以减小层数；减小线圈的绝缘层厚度；改善线圈的耦合程度，包括采用初次级夹绕的方式；2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料37第四章功率变压器设计变压器的主要目的是传输功率。将一个电源的能量瞬时地传输到负载。此外变压器还提供其它重要的功能:通过改变初级与次级匝比，获得所需要的输出电压；增加多个不同匝数的次级，获得不同的多路输出电压；初次级之间的隔离；变压器设计的要点:温升和损耗:变压器损耗使得线圈和磁芯温度升高，线圈中心靠近磁芯表面温度最高，此最大温度限制了变压器的温升。变压器内部最高温度受磁芯和绝缘的限制，对于一个特定的绝缘等级，正常工作下的最高稳定温度不应超过这一绝缘等级所规定的值。在自然散热条件下，变压器温升⊿t=450x（总损耗W/表面积cm2）0.826变压器损耗=磁芯损耗+线圈损耗磁芯损耗与频率f及磁通密度B有关，常以mW/cm3或kW/m3来表示。在实际变压器设计中根据工作频率按100~200mW/cm3来选取相应的磁通密度。绝缘等级最大温升最高测量温度CLASSA7590CLASSE90105CLASSB95110CLASSF115130CLASSH1401552021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料38第四章功率变压器设计线圈损耗:当线圈流过高频电流比较大时，就要考虑到趋附效应及邻近效应，特别是邻近效应只能通过估算最终要使线圈的Rac/Rdc≈1.5左右，这需要合理地选择多股线或者铜箔。变压器工艺设计规范a.安规要求:UL标准要求所有用于变压器结构的材料应为UL认证的材料；b.电气绝缘距离:变压器输入与输出电路带电部分之间的爬电距离根据电压等级的不同一般为6~10mm，空间距离为3~6mm。当磁芯为人体可以触摸到时，带电部分与磁芯的距离一般不低于6~10mm。变压器绝缘设计a.由于骨架可能存在毛刺，且一般靠近骨架的绕组又比较细，为使导线与骨架间有缓冲层，在一般情况下均包一层0.05mm厚玛拉胶带；b.绕组层间绝缘:如果绕组层间绝缘大于200V，层间应包一层玛拉胶带；c.初次级绕组间通常包3层胶带绝缘，其余各绕组间包一层胶带即可。抗电强度:变压器初次级绕组之间应能承受50Hz3000V1mA1MIN无击穿和飞弧现象。2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料39第四章功率变压器设计次级各绕组之间应能承受500VAC50Hz1mA1MIN对于电表或医疗设备上用的变压器初次级要承受AC4000V2mA1MIN的耐压。绝缘电阻变压器初次级绕组间施加500VDC,绝缘电阻不小于100MΩ工艺要求a.变压器要采用真空浸漆及烘干工艺；b.变压器各绕组线径一般不要小于0.1mm；c.成品变压器要测量各绕组直流电阻,以确保漆包线质量；d.变压器各绕组引出头部分缠绕在引脚根部,其浸锡后的高度不得高于四角支柱的高度,引脚长度从支架算起一般应保持在3.5±0.5mm。静电屏蔽由于变压器初次级之间的分布电容为共模骚扰电流提供了流通通道,所以通过在初次级间加静电屏蔽的方法来降低分布电容来阻止干扰的流通。具体做法是在初级之间加屏蔽铜箔绕约1.1层,保证首尾相互覆盖,覆盖处要用胶带绝缘。2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料40第四章功率变压器设计屏蔽层用导线连接后，连到初级端的引脚上。屏蔽层的引出线要尽量短。磁场屏蔽在有些情况下，开关电源变压器由于磁芯气隙漏磁通引发的杂散磁场会对邻近的电路产生共模发射，从而影响了EMI指标，为了削弱杂散磁场的影响，可以在变压器上沿线包方向包一层铜箔并短接（气隙部分应包裹在铜箔中）。这个铜箔对杂散磁场形成一个短路圈，短路圈离感应出一个相反的电流，由它所产生的磁场抵消了杂散磁场的作用。注意:铜箔与初次级间的绝缘距离要满足绝缘要求。磁芯形状的选择a.罐型（P型）具有较小的窗口面积。与其它形状磁芯相比有较好的磁屏蔽的优点，减少了EMI损耗，用于EMI要求严格的场合。缺点是出线缺口小，大电流出线困难，不宜多路及高压使用适合小功率使用。b.EE，EER，ETD，EI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，同时窗口宽而低的结构，漏磁及线圈层数小，高频交流电阻小，线圈与外界空气接触面大，有利于散热，可处理大功率。但电磁干扰较大。

2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料41第四章功率变压器设计b.EER,ETD磁芯的中柱圆形截面与EE型相同矩形截面时,圆形截面每匝线圈比矩形短约11%,既电阻减少11%,既省材料又降温升。但EE型磁芯尺寸齐全,传输功率从5W到5kW。而且可以将多副EE型组合输出更高的功率。c.RM和PM磁芯是罐型和E型的折中,比罐型又更大的出线窗口和好的散热条件因而可以输出更大的功率。磁芯没有全包围线圈,磁场干扰介于罐型和EE型。d.PQ型磁芯具有最佳的体积与辐射表面和线圈窗口面积之比。因磁芯损耗正比于磁芯体积,而散热能力正比于辐射表面,这些磁芯在一定的功率输出下具有最小的温升,体积也最小。e.EFD和EPC型磁芯主要为对又高度要求的变压器设计的。中柱长,漏感小。f.UU和UI型主要应用在高压和大功率水平。它比EE型有更大的窗口,但磁路长度大,比EE型更大的漏感。g.环行磁芯固有的圆形磁路,应将线圈均匀地绕在整个磁芯上。这样线圈宽度在本质上就完全包围了磁芯,使得漏感最低和线圈层数最少。杂散损耗和EMI扩散都很低。其最大缺点是绕制困难。2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料42第四章功率变压器设计磁芯尺寸的选择—面积乘积法经理论推导，各类变换器的输出功率与磁芯面积乘积关系如下:反激式:Po=1~1.8x100fVeVe为磁芯体积（m3）正激式:Po=1.012fBmaxAeAw/100推挽:Po=2x1.012fBmaxAeAw/100全桥或半桥:Po=2.864fBmaxAeAw/100其中Po为输出功率（W）；Bmax磁通密度变化量（T）；f为变压器工作频率（Hz）；Ae—磁芯截面积（cm2）；Aw—窗口面积（cm2）；以上公式是基于线圈电流密度4.2A/mm2，并假定窗口的填充系数是40%在低频时（20kHz以下）或单激工作时，饱和磁密限制了Bmax，而在50KHz以上磁芯损耗通常限制了Bmax。这里取100mW/cm3时，工作频率f对应的B值。2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料43第四章功率变压器设计单端正激变压器设计步骤1:确定变压器设计的电源参数:交流输入:85V~265V输出:24V/6.25A开关频率fs:66kHz；最大温升:40℃冷却方式:自然通风步骤2:确定磁芯的面积乘机AP值Po=1.012fBmaxAeAw/100=24x6.25=150WAeAw=1.125cm4考虑到实际填充系数只能取到0.2左右，故实际选取AP=2.25cm4故选取EER35（其AP=2.32cm4，Ae=1.09cm2，Ve=9.96cm3，AL=2600nH）步骤3:确定最大导通时间Tonmax=Tαmax式中α为最大占空比；在正激变换器中，αmax通常取0.4~0.45αmax对主开关、输出二极管的耐压及输出保持时间都有影响。这里取0.42，则Tonmax=1/66000*0.42=6.36μs2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料44第四章功率变压器设计步骤4:二次输出电压的计算变压器二次则所需电压V2=（V0+Vl+Vf）T/Ton=（24V+0.3V+0.7V）/0.42=59.5V步骤5:匝比的计算输入直流电压的最小值Vlmin为1.2x85=102VN=V2/Vlmin=59.5V102V=0.583步骤6:初次级匝数计算Ns=V2xTommax/（BmAe）=59.5x6.36/（0.2x109）=17.35匝，取17匝则Np=22/0.583=29.16匝，取29匝；步骤7:初次级线径计算初级电流峰值Ip=Po/（ηαmaxVmin）=150/（0.8x0.42x102）=4.37AIprms=Ip*SQRT（αmax）=2.83A电流密度暂取5A/mm2，则dp=1.13*sqrt（Iprms/J）=φ0.85在66kHz，趋附深度⊿=66.1/sqrt（66000）=0.257mm，所以取φ0.6x2Isrms=Is*sqrt（αmax）=4.05Ads=1.13*sqrt（Isrms/J）=φ1.26取φ0.5x62021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料45第四章功率变压器设计步骤8:铜损计算Pcu=I2R热阻系数γ=0.00393（234.5+100）=1.31初级铜损I2R=I2NplpγRac/dc=2.832x29x6.1/2/100*0.06264x1.31x1.5=0.87W次级铜损I2R=I2NplpγRac/dc=4.052x17x6.1/6/100*0.0899x1.31x1.5=0.5W步骤9:磁芯磁芯计算Pfe=PvVePv为单位体积损耗mW/cm3；Ve为磁芯的体积cm3由磁芯损耗曲线上大致估计Pv=80mW/cm3Pfe=80x9.96/1000=0.8W步骤10:温升估算变压器总损耗=铁损+铜损=0.87W+0.5W+0.8W=2.17W变压器表面积At=32.5xsqrt（2.32）=49cm2温升2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料46第四章功率变压器设计单端反激变压器设计步骤1:确定变压器设计的电源参数:交流输入:85V~265V输出:5V/1A，12V/0.3A，18V/0.2A，12V/0.006A开关频率fs:100kHz；最大温升:40℃冷却方式:自然通风步骤2:确定变压器总输出功率P0=5x1+12x0.3+18x0.2+12x0.006=12.272W假设总电源效率为80%，则电源输入总功率为:12.272/0.8=15.34W步骤3:根据交流输入电压确定最小直流电压、最大直流电压假设输入整流桥导通时间为tc=3ms，输入滤波电容C取33μF，则

VMAX=1.414x265=375V2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料47第四章功率变压器设计步骤4:确定最大占空比反激电源的最大占空比出现在最低输入电压、最大输出功率的状态，根据在稳态下，变压器的磁平衡，可得下式:（VMIN-VDS）xDMAX=VORx（1-DMAX）VOR为一次绕组感应电压，即反激电压若将VOR取100V，MOS管漏-源电压UDS取3V，则DMAX=0.54反激电源VOR的选取不是任意的。VOR受MOS管漏源级耐压情况而定VDRAIN=VMAX+1.4x1.5xVOR+20=605V对于宽范围电压输入VOR一般取70V~135V，2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料48第四章功率变压器设计步骤5:计算初级电流单端反激式变压器工作方式分为三种:非连续模式/临界模式:开关管截止时间长于/等于副边绕组电流降到零的时间，也就是副边电流与变压器磁通是在开关管导通前已经/刚好降至零。在新的周期又导通时，原边电流和磁通都是从零开始线形增大，斜率为V/Lpt连续模式:开关管截止时间短于副边绕组电流降到零的时间，也就是副边电流与变压器磁通是在开关管导通前仍然大于零在新的周期又导通时，原边电流和磁通都是从大于零Φ0，Ip1的开始线形增大，斜率为V/Lpt增加到Ip22021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料49第四章功率变压器设计KRP为电流脉动系数，令KRP=（Ip2-Ip1）/Ip2利用的数值可以定量地描述开关电源的工作模式，当0.4<KRP<1时处于连续模式，KRP=1时处于非连续模式，KRP的值较小意味着更为连续的工作模式和相对较大的初级电感量，并且初级电流的峰值及有效值较小，可以采用功率较小的功率管。但变压器磁芯会相应增大。在最大占空比时，当开关管开通时，原边电流为Ip1，开通结束时，电流上升到Ip2由能量守恒可得（Ip2+Ip1）xDMAX/2*VMIN=Pi在这里我们采取连续工作模式令KRP=0.5，有KRP=（Ip2-Ip1）/Ip2=0.5，则Ip2=2Ip1于是（0.5Ip2+Ip2）x0.56x89=2x15.34WIp2=0.426A初级电流有效值为:步骤5:计算初级电感量及匝数计算采用EI25LP3磁芯Lp=Uxton/⊿I=（89-3）x0.54*10/（Ip2-Ip1）=2.18mH或应用另一公式初级匝数2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料50第四章功率变压器设计初次级匝比为:Ns1=78/18.35=4.25匝，取5匝，则Np1=92匝；实际Bm=0.255TNs2=12.7/5.5x5=11.5匝，取12匝Ns3=18.7/5.6x5=16.7匝，取17匝辅助绕组Nf取12匝步骤6:计算磁芯气隙Lg为气隙长度mm；Np为原边匝数；Ae为磁芯截面积cm2；Lp为原边电感量μH；AL为磁芯不留气隙时的等效单匝电感μH/N2；2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料51第四章功率变压器设计步骤7:计算次级各绕组有效电流次级Ns1绕组峰值电流及有效值次级Ns2绕组峰值电流及有效值次级Ns2绕组峰值电流及有效值2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料52第四章功率变压器设计双极性电源变压器设计双极性开关电源变压器有全桥、半桥、推挽等几种，次级整流方式为全波整流或桥式整流，主要设计点:初级绕组电压幅值Up1=Uin-⊿U1式种Up1为变压器初级输入电压幅值V；Uin为变压器输入电流电压V；⊿U1为初级绕组压降和开关管导通压降；次级绕组电压幅值Up2=（Uo+⊿U2）/（2xD）式中Up2为变压器输出电压幅值；Uo为变压器次级负载直流电压；⊿U2为次级绕组压降和整流管压降；D为工作比。次级绕组峰值电流次级绕组的峰值电流Ip2等于开关电源的直流输出电流Io即IP2=Io2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料53第四章功率变压器设计次级电流有效值全波整流时:桥式整流时:初级绕组峰值电流Ip1=Up2/Up1xIp2初级电流有效值I1推挽式:桥式或半桥:初次级匝数计算2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料54第五章电感器设计电感主要分直流电感和交流电感直流电感用于平滑整流后的直流成分，减少其纹波电压，以满足电子设备对直流电源的要求。其主要技术指标为:电感量、直流电流、交流电流、温升等。交流电感主要用于交流回路中，作为平衡、限流和滤波等感性元件来使用。交流工作于交流回路中，无直流磁化。其主要技术指标为:在某一交流电流（固定的或一定变化范围的）作用下的电感值。下面主要介绍直流滤波电感的设计其本条件:所要求的电感量；直流电流；交流电流；温升‘在给定此要求后，应设计出不应导致电感饱和的Bmax2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料55第五章电感器设计Bmax=Bdc+Bac/2通直流并有气隙的电感器的电感表达式为:当铁心气隙lg>>lm/μr时，电感方程可简化为2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料56第五章电感器设计空气隙效应边缘磁通电感的设计一般要求有较大的空气隙lg以便控制直流磁通。在磁路中的空气隙会产生边缘磁通。如右图边缘磁通影响的大小是气隙尺寸、磁极的表面形状及线圈的形状、尺寸和位置的函数。它的最终影响效果是缩短了空气隙。因此可通过修正系数F使电感值比上式计算的值要大。修正后的电感为L‘2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料57第五章电感器设计气隙周围的区域对金属物体（如箍带，托架等）是很敏感的。如果这些金属物体是被用来固定铁心并从磁芯气隙旁经过，会存在两中情况:一方面如果靠近气隙的金属材料是铁磁材料，则它能使磁场导通，使气隙短路其作用是相当于缩短气隙，电感量会增加并易于饱和。另一方面如果靠近气隙的金属材料是非磁物质如铜、铝等它将不会使气隙短路或电感增加。在以上两中情况下，如果边缘磁通足够强，则它将在金属材料内感应出涡流使导体发热。边缘磁通与线圈位置关系当空气隙增加时，边缘磁通也将增加，如果线圈紧密地绕在磁芯上并包围着气隙围绕着励磁导线产生的磁通将迫使边缘磁通回到磁芯中，其最终结果是不产生边缘磁通。当线圈离开一段距离时，边缘磁通将增加。2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料58第五章电感器设计边缘磁通与粉末磁芯开关电源中会经常用到低导磁率的粉末磁粉芯绕制滤波电感,匝数往往较少。由于磁导率较低,同样会出现边缘磁通的现象。具有分布气隙的粉末磁芯会产生这样的边缘磁通。这个边缘磁通的效果导致的结果使给人以导磁率增大的印象。因为边缘磁通和匝数较少,所以要以均匀一致的方式来绕制线圈。这样绕制可以控制边缘磁通并能获得一个完全与匝比平方成正比的电感。图中在磁芯和匝数完全一样的情况下,均匀绕制的电感量要稍小一些。2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料59第五章电感器设计变压器及电感设计的相关经验数据铁心类型损耗Kj（25℃）Kj（50℃）（y）KsKwKv罐型铁心Pcu=Pfe433632-0.1733.84814.5粉末铁心Pcu》Pfe403590-0.1232.558.813.1叠片铁心Pcu=Pfe366534-0.1241.368.219.7C型铁心Pcu=Pfe323468-0.1439.266.617.9单线圈C型Pcu》Pfe395569-0.1444.576.625.6带绕铁心Pcu=Pfe250365-0.1350.982.325电流密度J=KjAp(y)A/cm2

表面积At=KsAp0.5cm2

重量Wt=KwAp0.75g

体积Vol=KvAp0.75cm3

2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料60第五章电感器设计电感设计例1:用面积乘积法设计有气隙的电感器技术指标:a）电感2mH；b）Idc=10A；c）Iac=1A；d）纹波频率f=20kHz；e）温升50℃设计步骤:由于纹波频率为20kHz，现选用超微晶铁心⑴能量E=1/2LI2=0.5x2/1000x（10+1/2）=0.11（W-S）⑵面积乘积Ap=[（2Ex104）/（BmKuKj）]1.16=9.38cm4⑶选metglas磁芯AMCC10Ap=9.4cm4，Ae=1.8cm2，Wa=5.2cm2G=40mm⑷计算电流密度J=KjAp-1.14=570x9.4-0.14=416A/cm2⑸计算线径d=1.13xsqrt（SQRT（10*10+1/12）/4.16）=φ1.75⑹取Φ1.7漆包线，电阻率=0.007871Ω/m⑺窗口利用率取0.4，则匝数N=5.2x0.4x100/（3.14x1.7*1.7/4）=91匝⑻计算所需气隙lg=0.4πN2Aex10-8/L=0.094cm⑼计算边缘磁通系数F2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料61第五章电感器设计⑽考虑边缘磁通后重新计算匝数⑾计算导线电阻R=9/100x80x0.007871x1.23=0.07Ω⑿计算铜耗Pcu=I2x0.057=7W⒀计算最大磁通密度Bmax⒁计算交流磁通密度⒂计算铁心损耗:Pfe=0.2x6.5f（kHz）1.51B（T）1.74=0.2Kgx3.7W/Kg=0.74W⒃总损耗P总=7W+0.74W=7.74W⒄单位表面积损耗:ψ=P总/At=7.74/136=0.057W⒅温升计算Δτ=450xψ0.826=42℃2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料62第五章电感器设计电感设计例2:用面积乘积法设计环行磁芯电感器技术指标:a）电感L=3mH；b）Idc=3A；c）Iac=0.2A；d）纹波频率f=100kHz；e）温升50℃设计步骤:⑴能量E=1/2LI2=0.5x3/1000x（3+0.2/2）=0.0144（W-S）⑵面积乘积Ap=[（2Ex104）/（BmKuKj）]1.14=[（2x0.0144x104）/（0.3x0.3x590）]1.14=6.87cm4⑶根据Ap选磁芯KS168Ap=6.28cm4，Ae=1.475cm2，Wa=4.26cm2，MPL=10.26cm⑷计算电流密度J=KjAp-0.12=590x6.28-0.12=473A/cm2⑸计算铁心所需导磁率Δμ=BmxMPLx104/（0.4πWaJKu）=40.4取最接近的Δμ=35KS168-035AAL=63nH⑹计算电感匝数N=sqrt（3000000/63）=218匝⑺计算磁芯中的磁场强度H=0.4πNI/MPL=82.7Oe，查表直流偏置电感量为2.1mH⒅计算导线线径d=1.13xsqrt（I/J）=Φ0.92021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料63第五章电感器设计⑼计算绕组电阻Rdc=MLTxNx0.02771=0.066x218x0.02771=0.4Ω⑽铜耗:Pcu=I2Rdcx热阻系数=3.6x1.3=4.68W⑾计算磁芯损耗根据Bac查铁硅铝磁粉芯损耗曲线得15mW/cm3则Pcore=15.741x15mW=236mW⑿计算温升P总=4.68+0.236=4.92W2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料64第六章设计及工艺要点变压器绕制说明在一对厚于穿透深度⊿的导体或线圈中,流过相反的高频电流时,高频电流仅在相互最接近的两导体整个表面流通。导体其它部分没有电流,也没有磁场。厚于穿透深度⊿的导体处于高频磁场中,在导体中产生涡流,引起涡流损耗。称为被动线圈。变压器漏感不仅与初级和次级线圈相对位置有关,而且与初级匝数有关。线圈间磁场强度越大,漏感越大。分段绕制线圈不但减少电感,而且还减少邻近效应引起的交流电阻。将变压器的初级绕组（或初级绕组的一部分）绕在靠近骨架的最里层,以便取得最短的每匝长度,有利于减小初级绕组的分布电容。把初级绕组的起始部分接在功率晶体管的漏极,有助于减小开关电源高频变压器对外界电磁的噪声发射。对于多次级变压器,线圈的安排是最高功率次级最接近初级,而低功率次级应远离最高磁场区。如图将最高功率次级分成S1,放在低功率次级S2外。两个S1可以串或并联。2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料65第六章设计及工艺要点共模电感设计及制作要点对于无PFC校正的小功率开关电源前级滤波共摸电感电流计算:

2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料66第六章设计及工艺要点峰值电流IPK有效值IRMS在整个周期内各电流分别为:例:有一个输出10V/5A的电源，其效率为75%，输入电容为120μF，则在输入为85Vac/50Hz时，输入电流的有效值和峰值。PIN=10x5/0.75W=66.67WA=0.48，tc=3.4ms，Iavg=2.2A，Ipk=4.4A，IRMS=0.612x4.4=2.7AIin-avg=2x3.4x50/1000x2.2A=0.748A，IIN-RMS=sqrt(2.72x2x3.4x50/1000)=1.57A在设计差模电感时，应考虑在瞬间电流峰值4.4A时的磁芯不应饱和，在线径选择时应按有效值1.57A来计算。2021/3/8合肥磁越电子科技有限公司培训资料67第六章设计及工艺要点共模电感绕制对于绝缘要求不高的信号线,可以采用双线并绕的方法绕制。但对于交流电源线,考虑到两根导线之间要承受较高的电压,必须分开绕制。在一般的滤波器中,共模电感的作用主要是滤除低频共模干扰,高频时,由于寄生电容的存在,对干扰的抑制作用较小,主要依靠共模滤波电容。由于医疗设备受到漏电流的限制,可能不使用共模电容,这时就需要提高电感器的高频特性。最关键的就是减小寄生电容。电感器的寄生电容与线圈的绕制方法密切。如果磁芯是导体的,则应设法减小导线与磁芯之间的电容。这可以通过使用介电常数低的材料,以及增加导线与磁芯之间的距离来实现。从绕制角度看,应尽量单层绕制,在空间允许时,使线圈为单层的,当线圈的匝数较多,必须多层绕制时,要向一个方向绕,边绕边重叠,不要绕完一层后再往会绕。另外,在一个磁芯上可以采取对线圈分段绕制的方法,这样每段的电容较小,并且总的寄生电容是两段上的寄生电容的串联,总电容比每段的寄生电