1、電力電子電路常用磁芯元件的設(shè)計(jì)一、常用磁性材料的基本知識(shí)磁性元件可以說(shuō)是電力電子電路中關(guān)鍵的元件之一，它對(duì)電力電子裝置的體積、 效率等有重要影響，因此， 磁性元件的設(shè)計(jì)也是電力電子電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。磁性材料有很多種類，特性各異，不同的應(yīng)用場(chǎng)合有不同的選擇，以下是幾種常用的磁性材料。1低碳鋼低碳鋼是一種最常見(jiàn)的磁性材料，這種材料電阻率很低，因此渦流損耗較大，實(shí)際應(yīng)用時(shí)常制成硅鋼片。硅鋼片是一種合金材料（通常由97%的鐵和3%的硅組成），它具有很高的磁導(dǎo)率，并且每一薄片之間相互絕緣，使得材料的渦流損耗顯著減小。磁芯損耗取決于材料的厚度與硅含量，硅含量越高、電阻率越大。這種材料大多應(yīng)用于低頻場(chǎng)

2、合，工頻磁性元件常用這種材料。2鐵氧體隨著工作頻率的提高，對(duì)磁芯損耗的要求更高，硅鋼片由于制造工藝的限制，已經(jīng)很難滿足這種要求，鐵氧體就是在這種形勢(shì)下出現(xiàn)的。鐵氧體是一種暗灰色或者黑色的陶瓷材料。鐵氧體的化合物是MeFe2O4,這里 Me 代表一種或幾種二價(jià)的金屬元素，例如，錳、鋅、鎳、鈷、銅、鐵或鎂。這些化合物在特定的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的磁性能，但是如果超出某個(gè)溫度值，磁性將失去，這個(gè)溫度稱為居里溫度（Tc） 。鐵氧體材料非常容易磁化，并且具有相當(dāng)高的電阻率。這些材料不需要像硅鋼片那樣分層隔離就能用在高頻的應(yīng)用場(chǎng)合。高頻鐵氧體磁性材料主要可分為兩大類：鈕鋅（ MnZn）鐵氧體材料和鍥鋅（N

3、iZn）鐵氧體材料。比較而言，NiZn材料的電阻率較高，一般認(rèn)為在高頻應(yīng)用場(chǎng)合下具有較低的渦流損耗。但是最近的研究表明，如果顆粒的尺寸足夠小而且均勻，在幾兆赫茲范圍內(nèi)MnZn 材料顯示出較NiZn 材料更為優(yōu)越的特性，例如， TDK 公司的 H7F 材料以及MAGNETICS 公司的 K 材料就是采用這種技術(shù)，適用于兆赫茲工作頻率下工作的新型鐵氧體材料。3粉芯材料粉芯材料是將一些合金原料研磨成精細(xì)的粉末狀顆粒，然后在這些顆粒的表面覆蓋上一層絕緣物質(zhì)（它用來(lái)控制氣隙的尺寸，并且降低渦流損耗），最后這些粉末在高壓下形成各種磁芯形狀。由于原料成分的不同，粉芯材料又可分為鐵粉芯、鉬坡莫合金粉芯（MPP

4、）和高磁通粉芯（鐵鎳磁粉芯）等材料。鐵粉芯是所有粉芯材料中最為便宜的材料，磁導(dǎo)率一般在480左右。由于顆粒之間相互都絕緣，與硅鋼片相比雖然渦流損耗被大大地降低，但高頻情況下由損耗導(dǎo)致的溫升仍很高。所以鐵粉芯一般用于較低開(kāi)關(guān)頻率的場(chǎng)合。鐵粉芯的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度一般在1特斯拉（T）左右。MPP磁芯的相對(duì)磁導(dǎo)率一般在14350,飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.7T左右。在現(xiàn)有的粉芯材料中，MPP 具有損耗低、溫度穩(wěn)定性好的優(yōu)勢(shì)。此外，它也是磁導(dǎo)率選擇范圍最廣的粉芯材料。但是由于鎳的含量高，所以它也是最昂貴的粉芯材料。由于MPP 磁芯在所有粉芯材料中磁損最低，所以它特別適合應(yīng)用于反激電路，Buck/Boost以及功

5、率因數(shù)校正電路，此外均勻分布的氣隙使銅損大大降低。高磁通粉芯是一種氣隙均勻分布的磁環(huán)，由50%鎳和50%鐵合金粉末制成，它的相對(duì)磁導(dǎo)率一般在14200。高磁通粉芯的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高達(dá) 1.5T,而一 股MPP為0.7T,鐵氧體為0.45T。與鐵粉芯相比，高磁通粉芯的磁損大大地降 低， 又由于高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，該磁芯使得絕大多數(shù)場(chǎng)合下鐵粉環(huán)尺寸降低成為可能。4非晶及納米晶軟磁合金非晶態(tài)金屬與合金是20世紀(jì)70年代問(wèn)世的一類新型材料，采用了超急冷凝固技術(shù)， 從鋼液到薄帶成品一次成型。由于超急冷凝固，合金凝固時(shí)原子來(lái)不及有序排列結(jié)晶，得到的固態(tài)合金是長(zhǎng)程無(wú)序結(jié)構(gòu)，沒(méi)有晶態(tài)合金的晶粒、晶界存在，稱之為

6、非晶合金。這種非晶合金具有優(yōu)異的磁性、耐蝕性、耐磨性、高的強(qiáng)度、 硬度和韌性，高的電阻率和機(jī)電耦合性能等。由于它的性能優(yōu)異、工藝簡(jiǎn)單，從 80 年代開(kāi)始成為國(guó)內(nèi)外材料科學(xué)界的研究開(kāi)發(fā)重點(diǎn)。目前美、日、德國(guó)已具有完善的生產(chǎn)規(guī)模，并且大量的非晶合金產(chǎn)品逐漸取代硅鋼和坡莫合金及鐵氧體而涌向市場(chǎng)。常用的非晶合金的種類有：鐵基、鐵鎳基、鈷基非晶合金以及鐵基納米晶合金。二、磁芯材料的基本參數(shù)（1）初始磁導(dǎo)率的初始磁導(dǎo)率是磁性材料的磁化曲線始端磁導(dǎo)率的極限值，即BiHmo h式中飛 =4nx10，H/m為真空磁導(dǎo)率，H為磁場(chǎng)強(qiáng)度（單位：A/ m） , B為磁感應(yīng)強(qiáng)度（單位：T）。初始磁導(dǎo)率巴與溫度和頻率有關(guān)

7、（2）有效磁導(dǎo)率體在閉合磁路中，磁芯的有效磁導(dǎo)率為Ae1022附圖1 1磁性材料磁滯回線式中L為線圈的自感量（mH）; N為線圈匝數(shù)；l/Ae為磁芯常數(shù)，是磁路長(zhǎng) 度l與磁芯截面積Ae的比值（單位：mm-1）。（3）飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs在指定溫度（25C或100C）下，用足夠大的磁場(chǎng)強(qiáng)度磁化磁性物質(zhì)，磁化曲線接近水平線（見(jiàn)附圖1-1）時(shí)，不再隨外磁場(chǎng)強(qiáng)度增大而明顯增大對(duì)應(yīng)的 B 值，稱飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs。（4）剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br鐵磁物質(zhì)磁化到飽和后，又將磁場(chǎng)強(qiáng)度下降到零時(shí)，鐵磁物質(zhì)中殘留 的磁感應(yīng)強(qiáng)度即為Br,稱為剩余磁感 應(yīng)強(qiáng)度，簡(jiǎn)稱剩磁。（5）矯頑磁力Hc磁芯從飽和狀態(tài)去除磁場(chǎng)后，需 要一定

8、的反向磁場(chǎng)強(qiáng)度-Hc,使磁感應(yīng)強(qiáng)度減小到零，此時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度 Hc稱為矯頑磁力（或保磁力）。（6）溫度系數(shù)小溫度系數(shù)為溫度在T2內(nèi)變化時(shí)，每變化1C對(duì)應(yīng)的磁導(dǎo)率相對(duì)變化量式中心為溫度為Ti時(shí)的磁導(dǎo)率,匕為溫度為T2時(shí)的磁導(dǎo)率。(7)居里溫度Tc居里溫度是指材料可以在鐵磁體和順磁體之間改變的溫度。低于店里溫度時(shí)該物質(zhì)成為鐵磁體，此時(shí)和材料有關(guān)的磁場(chǎng)很難改變。當(dāng)溫度高于居里溫度時(shí)， 該物質(zhì)成為順磁體，磁體的磁場(chǎng)很容易隨周圍磁場(chǎng)的改變而改變。(8)磁芯損耗(鐵耗)Pc磁芯損耗是指磁芯在工作磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)的單位體積損耗。磁芯損耗包括：磁滯損耗、渦流損耗、殘留損耗。磁滯損耗是每&次磁化所消耗的能量，

9、正比于磁滯回線的面積，如附圖12所示；渦流損耗是交變磁場(chǎng)”V在磁芯中產(chǎn)生環(huán)流引起的歐姆損耗；殘留損耗/I /是由磁化弛豫效應(yīng)或磁性滯后效應(yīng)引起的損 L /耗。前兩項(xiàng)是磁芯損耗的主要部分(9)電感系數(shù)Al附圖1 2磁滯損耗曲線電感系數(shù)是磁芯上每一匝線圈產(chǎn)生的自式中L為磁芯線圈的自感量(單位：H), N為線圈匝數(shù)。三、鐵氧體磁芯的基本知識(shí)1 .材料的磁化燒結(jié)后的鐵氧體是由小的晶體組成，這種晶體的大小一般在io20m的范圍 內(nèi)，磁疇就是存在于這些晶體之中。在沒(méi)有外磁場(chǎng)作用時(shí)，這些磁疇排列的方向是雜亂無(wú)章的，如附圖1 3 (a)所示，小磁疇問(wèn)的磁場(chǎng)是相互抵銷的，對(duì)外不呈現(xiàn)磁性。當(dāng)一個(gè)外加磁場(chǎng)( H)

10、作用于該材料時(shí)，磁疇順著磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，加強(qiáng)了鐵氧體內(nèi)的磁場(chǎng)。隨著外磁場(chǎng) 的加強(qiáng)，轉(zhuǎn)到外磁場(chǎng)方向的磁疇就越來(lái)越多，與外磁場(chǎng)同向的磁感應(yīng)強(qiáng)度就越強(qiáng)， 如附圖1 3 (b)所示。這就是說(shuō)材料被磁化了。在這個(gè)磁化過(guò)程中，磁疇重新排列必須克服能 量勢(shì)壘，因此，磁化總是滯后于磁場(chǎng)。所謂的“磁 滯回線”（見(jiàn)附圖1 1）,就是這種現(xiàn)象的結(jié)果。 如果對(duì)磁化的抵抗并不是很強(qiáng)時(shí)，一個(gè)特定的磁 場(chǎng)強(qiáng)度將會(huì)產(chǎn)生很大的感應(yīng)磁場(chǎng)，鐵氧體的磁導(dǎo) 率很高。磁滯回線的形狀對(duì)鐵氧體的其他性能有 著很強(qiáng)的影響，如磁損。2.磁芯的形狀鐵氧體磁芯有許多不同的形狀，如附圖 14附圖1 3-66 3d e ，6 § 0、 與6 6

11、磁化過(guò)程示意所示。這些形狀各異的磁芯各有其特點(diǎn)，適用于制作各種磁性元件。（1）磁環(huán)磁芯。從磁的角度而言，磁環(huán)也許是最佳選擇，因?yàn)榇怒h(huán)的磁路是一個(gè)封閉的形狀，因此鐵氧體的性能可以最為充分地發(fā)揮出來(lái)。 尤其是對(duì)于高 磁導(dǎo)率的鐵氧體材料，哪怕是一點(diǎn)點(diǎn)氣隙都會(huì)使得磁導(dǎo)率顯著下降。磁環(huán)主要應(yīng) 用于脈沖變壓器、磁放大器、干擾抑制線圈（共模電感）等場(chǎng)合。磁環(huán)在特定功 率處理能力下是最便宜的磁性元件之一，但是磁環(huán)的繞制卻是最困難的。（2）罐型磁芯。罐型磁芯最初是為通信濾波電感而設(shè)計(jì)的，磁芯幾乎包圍了所有的線包和骨架，這種結(jié)構(gòu)很好地屏蔽了外部的電磁噪聲（ EMI）。罐型磁 芯的成本要高于其他形狀的磁芯，此外其散

12、熱性能較差，所以至今還沒(méi)有適用于 大功率場(chǎng)合的產(chǎn)品。（3） E型磁芯。E型磁芯較罐型磁芯便宜，易于繞制，安裝方便。E型磁芯的骨架有立式和臥式兩種，立式骨架占用 PCB板面積較小但高度很大，臥式骨 架正好相反。E型成為最為常用的磁芯形狀。可以說(shuō)EE型磁芯和EI型磁芯具有 相同的外形，相同的尺寸，相同的骨架，僅僅在漏磁場(chǎng)分布存在差異，適用于制 作開(kāi)關(guān)電源變壓器（4） EC磁芯。EC磁芯介于E型與罐型之間，窗口面積較大（較罐型磁芯 而言），有風(fēng)道，利于散熱。相同面積下圓形中心柱的周長(zhǎng)比方形中心柱省 11%, 減少了銅損，并且繞制的時(shí)候圓形要比方形方便。（5） PQ磁芯。PQ磁芯主要是為開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的

13、，能在最小的磁心尺寸下 獲得最大的電感量和線包面積，因此這種磁芯能在最小的高度與體積情況下輸出最大的功率。(6)其他外形磁芯3.磁芯加氣隙使得電感能夠儲(chǔ)存更多由于鐵氧體磁芯的磁導(dǎo)率一般都很高，稍加激勵(lì)就容易產(chǎn)生磁飽和，所以 在開(kāi)關(guān)電源中通常通過(guò)加氣隙的辦法來(lái)降低有效磁導(dǎo)率，的能量。電感儲(chǔ)能有如下關(guān)系式:B22% L式中L為電感量，I為電感電流，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，Ve為磁芯有效體積，0 為真空磁導(dǎo)率，體為有效相對(duì)磁導(dǎo)率。氣隙的引入勢(shì)必增強(qiáng)電感的漏磁場(chǎng)分布。磁性元件的漏磁場(chǎng)一般可分為外部 漏磁場(chǎng)和內(nèi)部漏磁場(chǎng)，它們主要是由漏磁通路的長(zhǎng)度和磁動(dòng)勢(shì)決定的。 由于內(nèi)部 漏磁場(chǎng)穿過(guò)線圈會(huì)引起額外的渦流損耗，

14、而外部漏磁場(chǎng)能夠產(chǎn)生EMI ,對(duì)附近的 元件產(chǎn)生影響，所以氣隙的引入在某種程度上惡化了電感的工作狀態(tài)。一般的說(shuō)，共有五種增加氣隙的方法：第一種方法是在磁芯中間墊上一層非 磁物質(zhì)，這樣就相當(dāng)于把氣隙分為相等的兩部分， 第二種方法是通過(guò)研磨中心術(shù) 強(qiáng)行在磁路中插入氣隙；第三種方法主要是針對(duì)鐵氧體磁環(huán)而言， 由于磁環(huán)的特 殊結(jié)構(gòu)（既不能研磨又不能分離）只有通過(guò)切割的辦法來(lái)插入氣隙； 第四種方法 就是常用的磁棒；第五種方法是在磁芯加工的時(shí)候完成的， 也就是常說(shuō)的金屬磁 粉芯，包括鐵粉芯、鐵硅鋁、鐵鍥鋁、高磁能磁粉芯等。事實(shí)上，上述五種增加 氣隙的方法中，前三種可由設(shè)計(jì)者決定，后兩種則決定于生產(chǎn)商，設(shè)計(jì)

15、者只是通 過(guò)相應(yīng)的數(shù)據(jù)手冊(cè)來(lái)選擇適合自已的產(chǎn)品。墊氣隙的方法將氣隙分為兩個(gè)相同但是更小的氣隙，并且每個(gè)氣隙所承受的 磁動(dòng)勢(shì)近似為二分之一的總安匝數(shù)。 而研磨的方法把氣隙集中在一處，所以這種 方法漏磁場(chǎng)的幅值近似為墊氣隙的兩倍。止匕外，由于大氣隙的緣故，它的邊緣磁 場(chǎng)穿過(guò)線圈的面積也越大，因此這種情況下的銅損要比墊氣隙情況下的銅損要 大。當(dāng)用銅皮繞制電感的時(shí)候，這種影響就更加嚴(yán)重了，因?yàn)檫吘壌艌?chǎng)具有很大 的垂直分量，該分量垂直于線圈軸，也就是說(shuō)垂直于銅皮的表面。四、磁性元件損耗磁性元件損耗主要由兩部分組成：磁損（又叫鐵損，指磁性材料的損耗）和 銅損（指線圈中因流過(guò)電流而產(chǎn)生的損耗）。（1）磁損磁

16、損由渦流損耗、磁滯損耗以及殘留損耗組成，三部分損耗的計(jì)算公式為Steinmetz 方程。PCorEmf B.Ve式中Cm為損耗系數(shù)，f為工作頻率，B為工作磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值，Ve為磁芯 面積，券B分別為大于1的頻率和磁感應(yīng)損耗系數(shù)。(2)銅損銅損是電流通過(guò)線圈所產(chǎn)生的損耗。在低頻場(chǎng)合，銅損計(jì)算是直接將電流有 效值的平方乘以線圈的直流電阻得到的。隨著頻率的提高，趨膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)等因素的影響變得越來(lái)越嚴(yán)重。五、高頻變壓器的設(shè)計(jì)高頻變壓器的設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)預(yù)先設(shè)定具體的電路拓?fù)?、工作頻率、輸入和輸出 電壓、輸出功率、變壓器的效率以及環(huán)境條件。通常以滿足最壞情況設(shè)計(jì)變壓器， 以保證設(shè)計(jì)的變壓器在規(guī)定的條件下都

17、能滿意工作。不同的電路拓?fù)鋵?dǎo)致高頻變壓器磁化工作狀態(tài)不同，如推挽、半橋、全橋等功率變換器的高頻變壓器磁芯雙 向磁化，工作在磁滯回線的第一和第三象限，為雙極性工作模式；而正激、反激 變換器的高頻變壓器磁芯單向磁化， 僅工作在磁滯回線的第一象限，為單極性工 作模式。1、雙極性開(kāi)關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)(1)初始條件工作頻率f (Hz)開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)輸入最高、最低電壓幅值 Ulmax (V)、Ulmin (V) 變壓器初級(jí)激勵(lì)脈沖最大持續(xù)時(shí)間tonmax ( S)(與最大占空比相關(guān)) 直流電源輸出電壓Uo (V)、電流Io (A)輸出整流電路的形式及整流二極管壓降 UD (V)L T f(2)/W/驟5變

18、壓器參數(shù)示意圖(推挽變壓器初級(jí)常為中心抽頭結(jié)構(gòu))步驟1:確定原副邊繞組匝比計(jì)算匝比首先需要計(jì)算變壓器次級(jí)輸出電壓U2 ,對(duì)于直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，次級(jí)輸出一般接二極管全波整流電路及電感濾波電路，因此，次級(jí)輸出電壓在滿足正常輸出電壓的同時(shí)，還需要補(bǔ)償整流二極管和濾波電感的壓降，有N Uo Ud UlU 2 （2ton/T）式中Uo為變換器輸出電壓，Ud為輸出整流二極管的通態(tài)壓降（對(duì)于全波整 流一般為單個(gè)二極管壓降，而橋式整流電路為兩個(gè)二極管壓降），Ul為輸出濾波 電感上的直流壓降。變壓器的匝比應(yīng)保證最低輸入電壓 Ulmin時(shí)，電路能夠保證正常輸出電壓。 對(duì)應(yīng)于橋式整流或全波整流，次級(jí)允許的最小輸出電

19、壓為U 2minUo Ud Ul(25 /T)因此變壓器原副邊變比為ni m =n2U 1m i nU 2m i n步驟2:確定高頻變壓器磁芯材料根據(jù)變壓器的工作頻率和傳輸功率，選擇合適的磁芯材料。高頻功率變壓器 磁芯材料通常選用鐵氧體 R2KB。大功率鐵氧體材料性能如附表1-1所示，其 磁芯損耗與磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線、磁芯損耗溫度特性曲線分別如附圖1-6和附圖1一 7所示。附表1-1大功率鐵氧體材料基本性能特科重等率比拗精 系畋XLO-fi居里, 溫度 TJV電的 率R忸和破 通淵度 /mTIm 孫 /mT府珅i力IULfl. 械率 /MIU功率 ftlflCOOmT) /<kW/mT)25

20、VI6。工, 1.】（xncR2KH2500史路%- ->23(3510170,02Z0. 153O 25kHz90 2Sklh100 25kHzR2KB12300 ±25 >21565加956 0160.3600 IfJOkHi450 100kHz410 lOOklbR4KR<1000±隔,1824302。0-01160.15ClOmW/gRfiC灶25%7. 95MHz590200,111. 7500Jf僚交變磁幅不】JkA/m溫升4。土2。2. 52MHz1253402100.7240開(kāi)路交在磁場(chǎng)2. 23A/m 程升不MTC材料上K2KH- SOk

21、llz -Z-25tHx -0附圖16磁芯損耗與磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線工作原率：2強(qiáng)Hz160(TUI3mHsL亡淀云松津工作糖率：lOOklii 100002040 60 «Q 100 120 14«04060IW 120 14tMfltrc溫度廣c附圖1 7磁芯損耗溫度特性曲線步驟3:磁感應(yīng)強(qiáng)度B的選擇確定磁感應(yīng)強(qiáng)度B需要考慮兩個(gè)問(wèn)題：當(dāng)輸入電壓達(dá)到最高時(shí)磁芯不飽和, 變壓器溫升滿足要求。在給定溫升條件下，當(dāng)磁芯損耗與銅線損耗相等時(shí)，開(kāi)關(guān) 電源變壓器輸出功率最大。設(shè)計(jì)時(shí)初選磁感應(yīng)強(qiáng)度可根據(jù)功率 P （單位W）,工 作頻率f （單位kHz）,平均溫升At （單位oC）,按附圖18

22、查出系數(shù)Kb,然后 按下式計(jì)算工作磁感應(yīng)強(qiáng)度：B =KBBm式中：B為工作磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）, Kb為磁感應(yīng)強(qiáng)度系數(shù)，Bm為磁性材料最附圖1 8磁感應(yīng)強(qiáng)度系數(shù)步驟4:確定原邊與副邊的繞組匝數(shù)選定磁芯材料，確定磁芯最大的工作磁感應(yīng)強(qiáng)度， 根據(jù)近似的面積乘積（AP） 法，粗略估算、并預(yù)選一個(gè)磁芯型號(hào)Pt44、AP = Ac Aw = （-）3（cm ）K B f式中：Ac為磁芯有效截面積（cm2）; Aw為磁芯窗口截面積（cm2）; Pt為變 壓器傳輸功率（W）; AB為磁通密度變化量，雙極性變換器為 AB=2B （T）; f 為開(kāi)關(guān)工作頻率（Hz）; K為近似系數(shù)（正激、推挽中心抽頭變壓器取 K=

23、0.014; 全橋、半橋變壓器取K=0.017）o假定變壓器的效率為“，則p U oI oPT 二一選定磁芯后，初、次級(jí)繞組匝數(shù) 、但也隨之可以確定U, t1 min onmax4102B ACn1n2 =一 m式中：Ulmin單位為V, tonmax單位為S, B單位為T, Ac單位為Cm2步驟5：確定繞組的導(dǎo)線線徑和股數(shù)在選用繞組的導(dǎo)線線徑時(shí)，要考慮導(dǎo)線的集膚效應(yīng)。所謂集膚效應(yīng)，是指當(dāng)導(dǎo)線中流過(guò)高頻交變電流時(shí)，導(dǎo)線橫截面上的電流分布不均勻，中間電流密度小、甚至無(wú)電流，邊緣部分電流密度大，使導(dǎo)線的有效導(dǎo)電面積減小，電阻增大的現(xiàn) 象。一般用穿透深度來(lái)描述導(dǎo)線的集膚效應(yīng)，所謂穿透深度 A,是指導(dǎo)

24、線電流密 度下降到表面電流密度的0.368 (即1/e)時(shí)的徑向深度。穿透深度 A與頻率f和導(dǎo)線物理性能的關(guān)系為式中k為導(dǎo)線材料的電導(dǎo)率溫度系數(shù)，N為導(dǎo)線材料的磁導(dǎo)率，尸為導(dǎo)線材 料的電導(dǎo)率。對(duì)于銅質(zhì)電磁導(dǎo)線，在25OC時(shí)有：6 =-66 (mm) .f而在 1000c 時(shí)有：A=，5 (mm) , f為了更有效地利用導(dǎo)線，減小集膚效應(yīng)的影響，一般要求導(dǎo)線的直徑小于兩倍的穿透深度，即d E 2。如果繞組的線徑大于由穿透深度所決定的最大線徑時(shí)，需采用小線徑的導(dǎo)線多股并繞或采用銅皮來(lái)繞制，銅皮的厚度要小于2倍穿透深 度。在考慮集膚效應(yīng)采用多股導(dǎo)線并繞時(shí)，初級(jí)繞組的導(dǎo)線股數(shù)Np為NpI 1rmsma

25、xJ SW式中Ilrmsmax為初級(jí)最大電流有效值；J為導(dǎo)線的電流密度，對(duì)于開(kāi)關(guān)變壓器, 股取J=35A/mm2, Sw為每根導(dǎo)線的導(dǎo)電面積(mm2)。當(dāng)考慮集膚效應(yīng)采用多股導(dǎo)線并繞時(shí)，次級(jí)繞組的導(dǎo)線股數(shù)Ns為NI 2rms maxS 二J *Sw式中12rmsmax是副邊最大電流有效值。步驟6：核算磁芯窗口面積在計(jì)算出變壓器的初次級(jí)匝數(shù)、導(dǎo)線線徑及股數(shù)后，必須核算磁芯的窗口面 積是否能夠繞得下，或者窗口是否過(guò)大。窗口充填系數(shù)kw定義為線圈銅占有的總面積與磁芯窗口面積之比,(nN hNs)Swkw 二kW大小與絕緣等級(jí)、環(huán)境條件和工藝結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，考慮到層間絕緣、骨架、屏蔽以及爬電距離等因素

26、，一般實(shí)際窗口利用率在0.250.5。如果窗口面積太小，說(shuō)明磁芯太小，要選擇大一型號(hào)的磁芯；如果窗口面積過(guò)大，說(shuō)明磁芯太大，可選小一型號(hào)的磁芯。重新選擇磁芯后，應(yīng)從步驟3開(kāi)始計(jì)算，直到所選磁芯型號(hào)規(guī)格基本合適。2-單極性開(kāi)關(guān)電源變壓器一一.正激變換器的高頻變壓器設(shè)計(jì)(1)初始條件工作頻率f (Hz)開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)輸入最高、最低電壓幅值 U1max (V)、U1min (V)變壓器初級(jí)激勵(lì)脈沖最大持續(xù)時(shí)間tonmax ( S)(與最大占空比相關(guān))直流電源輸出電壓Uo (V)、電流Io (A)輸出整流電路的形式及整流二極管壓降 UD (V)(2)設(shè)計(jì)步驟步驟1:確定原副邊繞組匝比計(jì)算匝比首先需要計(jì)

27、算變壓器次級(jí)輸出電壓U2 ,對(duì)于直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，次級(jí)輸出一般接二極管整流電路及電感濾波電路，因此，次級(jí)輸出電壓在滿足正常輸出電壓的同時(shí)，還需要補(bǔ)償整流二極管和濾波電感的壓降，有.Uo Ud Ul U 2 二(ton /T)式中Uo為變換器輸出電壓，Ud為輸出整流二極管的通態(tài)壓降(通常為半波整流)，Ul為輸出濾波電感上的直流壓降。變壓器的匝比應(yīng)保證最低輸入電壓Ulmin時(shí)，電路能夠保證正常輸出電壓。次級(jí)允許的最小輸出電壓為. Uo Ud UlU 2min - (tonmax /T)因此變壓器原副邊變比為m =5=Uan口2 U 2m i n步驟2:確定高頻變壓器磁芯材料 該步驟與雙極性變壓器設(shè)

28、計(jì)方法相同。步驟3:磁感應(yīng)強(qiáng)度B的選擇該步驟與雙極性變壓器設(shè)計(jì)方法相同。步驟4:確定原邊與副邊的繞組匝數(shù)。正激變換器通常在磁路中加氣隙來(lái)降低剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度和提高磁芯工作的直流磁場(chǎng)強(qiáng)度，因此計(jì)算時(shí)一般仍可以按步驟 3的方法確定磁感應(yīng)強(qiáng)度增量，即B = B通常，由于正激變換器的磁芯單向磁化，工作在第一象限，工作磁感應(yīng)強(qiáng)度 變化量出也可參考下式：B = Bm - Br ：二 Bs - Br式中Bs為磁芯的飽和磁通密度，Br為剩余磁通密度。如對(duì)于材質(zhì)為R2KB的 鐵氧體，Bs=0.51T、Br=0.12T, WJ 田0.39T。參考雙極性變壓器設(shè)計(jì)步驟 4,根據(jù)近似的面積乘積(AP)法，粗略估算、并預(yù)

29、選一個(gè)磁芯型號(hào)，則初、次級(jí)繞組匝數(shù)n1、n2也隨之可以確定：U, t,1 min on max4n110汩ACn2式中 :Ulmin單位為V, tonmax單位為s, B單位為T, Ac單位為cm2步驟5:確定繞組的導(dǎo)線線徑和股數(shù)該步驟與雙極性變壓器設(shè)計(jì)方法相同。步驟6:核算磁芯窗口面積該步驟與雙極性變壓器設(shè)計(jì)方法相同。需要說(shuō)明的是，按以上設(shè)計(jì)的變壓器只是一種初步的樣品，變壓器的最終參 數(shù)往往還需要經(jīng)過(guò)實(shí)際電路試驗(yàn)后做一定的修正。六、電感和反激變壓器的設(shè)計(jì)電感是電力電子電路中的常用元件，在開(kāi)關(guān)電源中通常分為兩類：（1）單線圈電感：如輸出濾波電感（Buck）、升壓電感（Boost）、反激電感 （

30、Buck-Boost）和輸入濾波電感等。（2）多線圈電感：如耦合輸出濾波電感、反激變壓器等。電感通常有兩種工作模式，電流連續(xù)模式（CCM）和電流斷續(xù)模式（DCM ） 一般情況下，開(kāi)關(guān)電源中的電感在電流連續(xù)模式時(shí)線圈和磁芯的交流損耗比較 小，應(yīng)盡可能選擇大的工作磁感應(yīng)強(qiáng)度以減小電感體積；而在電流斷續(xù)模式時(shí)， 磁芯和線圈的交流損耗是主要考慮因素。電感設(shè)計(jì)的磁芯選擇同樣可以采用面積法預(yù)估，當(dāng)磁芯損耗不嚴(yán)重，磁芯飽 和限制的最大磁通密度為 Bm,則面積經(jīng)驗(yàn)公式為：Ap = aw Ac =(LISPI FLBmK1)3(cm4)當(dāng)磁芯損耗比較嚴(yán)重，損耗限制的磁通擺幅為 AB時(shí)的面積經(jīng)驗(yàn)公式為:L II

31、4AP = Aw Ac = （） 3（cm ）BmK2其中，L為電感量（單位H）, Isp為最大峰值電流（單位 A）, Bm為飽和限制 的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度（單位T） , AI為初級(jí)電流增量（單位A）, ABm為最大磁感應(yīng) 強(qiáng)度增量（單位T）, Ifl初級(jí)滿載電流有效值（A）。Ki、K2為校正系數(shù)，有Ki,K2=J mkiW10-式中：Jm為最大電流密度(單位A/cm2), kiw為初級(jí)銅面積/窗口面積，其系 數(shù)如附表12所示。附表1 2 Ki、K2及kiw與電感類型的關(guān)系應(yīng)用k1wK1K2單線圈電感0.70.030.021多線圈電感0.650.0270.019Buck/Boost 電感0.30.

32、0130.009反激變壓器0.20.00850.0061、電感設(shè)計(jì)(1)初始條件電感量L (單位H)流過(guò)電感最大峰值電流Isp(A)流過(guò)電感最大有效值電流I rmsm(A)電感電流最大紋波峰峰值 AIm(A)(2)設(shè)計(jì)步驟步驟1:依據(jù)電路工作頻率和使用場(chǎng)合，選擇合適的磁芯材料步驟2：選擇磁芯的最大工作磁感應(yīng)強(qiáng)度 Bm,確定最大工作磁感應(yīng)強(qiáng)度增量ABmBm 1 mBm ISP步驟3:確定電感設(shè)計(jì)屬于損耗限制還是飽和限制以0.5&Bm和紋波頻率配合，查附圖 16,求得磁芯比損耗。如果比損耗遠(yuǎn) 小于0.1W/cm3,則磁芯受飽和限制，可以直接選用設(shè)定的Bm和由此得到的 出m； 如果比損耗遠(yuǎn)大

33、于0.1W/cm3,則磁芯受損耗限制，必須減小 ABm,可以參考附 圖16重新確定ABm并重新估算實(shí)際的Bm。步驟4:選擇損耗限制或飽和限制的面積法經(jīng)驗(yàn)公式，初選磁芯。步驟5:計(jì)算電感線圈匝數(shù)nLI m4n :10BmAc式中：L單位為H, Aim單位為A, ABm單位為T, Ac單位為cm2步驟6:確定電感氣隙6對(duì)應(yīng)電感實(shí)際工作時(shí)的最大工作磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm,有6 = nIsp"父103(mm)Bm式中：Isp為A, % =4n父10工H/m , Bm單位為T步驟7:計(jì)算繞組的線徑和股數(shù)。輸出濾波電感電流最大有效值為Irmsm,取電流密度為J,則繞組的導(dǎo)電面積 為q I rmsmSw -J式中：Sw的單位為mm2,電流密度一般取J=35A/mm2。由于輸出濾波電感電流主要是直流分量，交流分量較小，因此集膚效應(yīng)影響 不是很大，可以選用線徑較大的導(dǎo)線或扁銅線來(lái)繞制，只要保證足夠的導(dǎo)電面積就行。步驟8:核算磁芯窗口面積與變壓器的設(shè)計(jì)一樣，也要核算磁芯窗口的面積是否合適。要經(jīng)過(guò)多次反復(fù) 計(jì)算，直到選擇合適的磁芯。2-單極性開(kāi)關(guān)電源變壓器一一.反激變換器的高頻變壓器設(shè)計(jì)反激式電源變壓器其實(shí)是一個(gè)耦合電感，它也有兩種工作模式，電流連續(xù)模式(CCM)和電流斷續(xù)模式(DCM