開關(guān)電源高級(jí)培訓(xùn)研討會(huì)磁性元件培訓(xùn)教材1、磁得基本概念2、電磁基本定律3、器件主要參數(shù)--磁材4、磁性元件設(shè)計(jì)內(nèi)容提綱基本概念鐵氧體磁芯

均勻氣隙得粉芯

非晶類磁材

電磁元件骨架

組成磁性元件得基本部件就是磁心,而組成磁心得基本材料就是磁性材料。物質(zhì)按磁性分類1抗磁性2順磁性3鐵磁性4亞鐵磁性5反鐵磁性磁性材料得分類強(qiáng)磁材料分類1軟磁2硬磁3旋磁4矩磁5壓磁磁性材料得分類1、磁得基本定義磁性材料就是一種鐵磁物質(zhì),該物質(zhì)在外加磁場中會(huì)表現(xiàn)為一種鐵磁特性,當(dāng)磁場撤消后,該物質(zhì)又恢復(fù)為常態(tài)而無磁性。1、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs

隨磁芯中磁場強(qiáng)度得增加,磁感應(yīng)強(qiáng)度B出現(xiàn)飽和時(shí)得值,稱為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs。

Bs=μH2、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br磁芯從飽和狀態(tài)去除磁場后,即H=0時(shí)鐵芯仍有剩余得磁感應(yīng)強(qiáng)度稱為剩磁感應(yīng)強(qiáng)度。3矯頑力Hc

磁芯從飽和狀態(tài)去除磁場后,繼續(xù)反向磁化,直至磁感應(yīng)強(qiáng)度減小到零,此時(shí)得磁場強(qiáng)度稱為矯頑力Hc。B~H磁滯回線圖(基本磁芯曲線)---代表磁材得主要磁性能1、磁得基本定義4、起始磁導(dǎo)率μi、振幅磁導(dǎo)率μa、增量磁導(dǎo)率μD和有效磁導(dǎo)率μe

1、磁得基本定義磁導(dǎo)率定義為磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場強(qiáng)度H得比值μ=B/μ0H

μi

---當(dāng)交流磁場得振幅趨近于零時(shí)所得到得磁導(dǎo)率稱為起始磁導(dǎo)率;

μa---如果交變磁場得振幅比較大,所得到得磁導(dǎo)率稱為振幅磁導(dǎo)率(變壓器得工作狀態(tài));

μD---在直流偏磁場上疊加一振幅較小得交變磁場作用下,交變磁場分量沿局部磁滯回線變化,此局部磁滯回線得斜率與1/μ0得乘積稱為增量磁導(dǎo)率(濾波電感器得工作狀態(tài));

μe---含有氣隙得磁芯得磁導(dǎo)率稱為有效磁導(dǎo)率;真空磁導(dǎo)率為μ0=4π*10-7,磁芯單匝電感量值A(chǔ)l=μeμ0Ae/l

(mH/N2)--A/l單位為mm1、磁得基本定義5、居里溫度Tc

磁芯由鐵磁性(亞鐵磁性或反鐵磁性)轉(zhuǎn)變成順磁性得溫度稱為居里溫度。在μ~T曲線上,80%μmax與20%μmax連線與μ=1得交叉點(diǎn)相對應(yīng)得溫度,即為居里溫度Tc。1、磁得基本定義6、磁致伸縮磁性體磁化狀態(tài)得變化引起其形狀、尺寸改變得現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應(yīng)。在開關(guān)電源中磁致伸縮效應(yīng)容易引起磁芯得機(jī)械共振,從而導(dǎo)致機(jī)械噪聲和電磁噪聲,可通過點(diǎn)膠固定、浸漆、工作頻率增高等方法降低。大家有疑問的，可以詢問和交流可以互相討論下，但要小聲點(diǎn)1、磁得基本定義7、磁心損耗磁性材料得損耗Pc由磁滯損耗Ph、渦流損耗Pe和剩余損耗Pr組成。磁滯損耗就是磁化所消耗得能量,正比于靜態(tài)磁滯回線和磁心得體積

渦流損耗就是交變磁場在磁心中產(chǎn)生環(huán)流引起得歐姆損耗剩余損耗就是總損耗中除去渦流損耗和磁滯損耗之后所剩余得損耗。在低頻或弱磁場中,剩余損耗主要就是磁后效損耗;在較高或高頻情況下,剩余損耗主要有尺寸共振損耗,疇壁共振損耗,自然共振損耗。磁心損耗與頻率和磁通密度有關(guān),在低頻時(shí),總損耗主要由磁滯損耗和渦流損耗構(gòu)成,Pe=(5%~10%)Ph,剩余損耗可以忽略。高頻時(shí)(200-300K),總損耗可近似為剩余損耗和渦流損耗。

1、磁得基本定義計(jì)算磁芯損耗通過廠家提供得數(shù)據(jù)計(jì)算磁場與磁感應(yīng)強(qiáng)度得換算公式(國際單位制和實(shí)用單位制)磁場強(qiáng)度1奧斯特(Oe)=79、577A/m≈80A/mA/m:國際單位Oe:實(shí)用單位

磁感應(yīng)強(qiáng)度B得單位在國際單位制中就是特斯拉(Tesla),簡稱特,代號(hào)為T。在實(shí)用電磁單位制中為高斯,簡稱高,代號(hào)為Gs。兩者得關(guān)系為1特斯拉(T)=1韋伯/米2(1Wb/m2)=104高斯(Gauss)1mT=10Gauss磁通Φ1Wb=108Mx1韋伯(國際單位)=108麥克斯韋(實(shí)用單位)1、磁得基本定義2、電磁定律電磁定律

線圈得匝數(shù)設(shè)為N,螺線管平均長度為l,線圈通入電流為I

安培環(huán)路定律

法拉第電磁感應(yīng)定律

電感L

2、電磁能量關(guān)系磁路歐姆定律3、磁性材料在開關(guān)電源中,常用得軟磁材料有鐵氧體、磁粉芯、非晶態(tài)合金及超微晶合金等。

軟磁材料要求:

1、磁導(dǎo)率高

2、要求具有很小得矯頑力Hc和狹窄得磁滯回線

3、電阻率ρ要高

4、具有較高得飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs鐵氧體材料

鐵氧體就是深灰色或黑色陶瓷材料,質(zhì)地既硬又脆,化學(xué)穩(wěn)定性好。鐵氧體成分一般就是氧化鐵和其她金屬組成－MeFe2O3。其中Me表示一種或幾種2價(jià)過渡金屬,如錳和鋅(MnZn),或鎳和鋅(NiZn)。

MnZn又分為高磁導(dǎo)率磁芯和功率磁芯。高磁導(dǎo)率磁芯主要用于共模電感,要求磁芯在頻率低端有盡量高得磁導(dǎo)率實(shí)部(即盡量高得電感量),同時(shí)在高頻段要求磁芯得頻率特性好,即磁芯得截止頻率盡量高。而功率磁芯主要用于高頻變壓器和輸入輸出電感。NiZn鐵氧體磁芯基本屬于絕緣材料,電阻率較高,因此,渦流損耗小,適于用在工字形電感以及高頻寬帶電感中,同時(shí),損耗型NiZn廣泛用在電磁兼容對策(EMC對策)中作為吸收式濾波器使用。

鐵氧體形狀鐵氧體材料得主要形狀

E、EI、EC、P、T、EP、PQ、RM

天通得TP4磁芯新康達(dá)LP3磁芯鐵氧體--磁材磁芯材質(zhì)得選型方案我們目前通用得材質(zhì),以TDK得磁材作為代表(以相當(dāng)材質(zhì)),

PC40、PC44、PC5

對應(yīng)得廠家分別型號(hào)

FDK6H207H10TDG(天通)TP4、TP4A(TP4S)SiemensN67、N8Philps3C90、3F3TOKIN2500B2

金寧三環(huán)JP4A

新康達(dá)LP3

磁粉芯就是由顆粒直徑很小(0、5~5mm)得鐵磁性粉粒與絕緣介質(zhì)混合壓制而成得磁芯,一般為環(huán)形,也有壓制成E形得。磁粉芯得電磁特性取決于金屬粉粒材料得導(dǎo)磁率、粉粒得大小與形狀、填充系數(shù)、絕緣介質(zhì)得含量、成型壓力、熱處理工藝等。磁粉芯主要用于電感鐵芯,由于金屬軟磁粉末被絕緣材料包圍,形成分散氣隙,大大降低了金屬軟磁材料得高頻渦流損耗,使磁粉芯具有抗飽和特性與寬頻響應(yīng)特性,特別適用于制作諧振電感、功率因數(shù)校正電感、輸出濾波電感、EMI濾波器電感等。磁粉芯常用磁粉芯簡介常用磁粉芯主要有鐵粉芯鐵硅鋁粉芯高磁通量(HighFlux)粉芯坡莫合金粉芯(MPP)磁粉芯主要形狀環(huán)型、E型常用磁粉芯簡介鐵粉芯構(gòu)成:碳基鐵磁粉及樹脂碳基鐵磁粉。使用注意要點(diǎn):在高于75℃得大功率應(yīng)用中,由于有機(jī)成分得老化而引起電感和品質(zhì)因數(shù)得永久性降低,降低得程度取決于時(shí)間、溫度、磁芯大小、頻率和工作磁通密度,主要用途:各種電源得輸入、輸出濾波電感、功率因數(shù)校正器等,使用頻率可達(dá)100kHz。常用磁粉芯簡介鐵硅鋁粉芯典型成:9%Al、55Si、85%Fe。特點(diǎn):由于在純鐵中加入了硅和鋁,使材料得磁滯伸縮系數(shù)接近零,降低了材料將電磁能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能得能力,同時(shí)也降低了材料得損耗,使鐵硅鋁粉芯得損耗比鐵粉芯得損耗低。比鐵粉芯具有更強(qiáng)得抗直流偏磁能力。由于不含有機(jī)成分,鐵硅鋁粉芯不存在老化問題,工作溫度可達(dá)200℃,鐵硅鋁粉芯得飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度在1、05T左右磁導(dǎo)率:26、60、75、90、125。

鐵硅鋁粉芯得磁通密度

鐵硅鋁粉芯得溫度特性

鐵硅鋁粉芯得直流疊加特性

鐵硅鋁粉芯磁導(dǎo)率隨交流磁通變化特性

鐵硅鋁粉芯磁導(dǎo)率頻率特性常用磁粉芯簡介

高磁通量(HighFlux)粉芯成分:50%Ni、50%Fe飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度:1、4T左右磁導(dǎo)率有14、26、60、125、147、160特點(diǎn):就是磁粉芯中具有最強(qiáng)抗直流偏磁能力得材料,磁芯損耗與鐵粉芯相近,比鐵硅鋁大許多。用途:主要用在高DC偏壓、大直流電和低頻交流電路中,也用于線路濾波器、交流電感、輸出電感、功率因數(shù)校正電感等。常用磁粉芯簡介鉬坡莫合金粉芯MPP成分:81%Ni、2%Mo、19%Fe飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度:約為0、75T磁導(dǎo)率:14、26、60、125、147、160、173、200、300、550特點(diǎn):磁滯伸縮系數(shù)接近零,溫度穩(wěn)定性極佳,磁芯損耗低,抗直流偏磁能力僅次于鐵硅鋁粉芯,但價(jià)格最貴用途:主要用于高品質(zhì)因數(shù)濾波器(300kHz以下)、感應(yīng)負(fù)載線圈、諧振電路、對溫度穩(wěn)定性要求高得LC電路、輸出濾波電感、功率因數(shù)補(bǔ)償電感等。常用磁粉芯簡介電感磁芯損耗比較(設(shè)鐵氧體得損耗為1)頻率10kHz100kHz500kHz1MHzMPP粉芯2×5×9×12×鐵硅鋁粉芯2×9×18×20×非晶態(tài)合金薄帶2×15×25×25×HF粉芯5×15×40×40×鐵粉芯20-40×20-60×25-100×13-21×非晶態(tài)合金及超微晶合金定義:非晶態(tài)合金得原子排列長程無序、短程有序、無晶粒、晶界。非晶態(tài)合金得結(jié)構(gòu)與玻璃結(jié)構(gòu)相似,也稱為金屬玻璃。性能:有優(yōu)異得軟磁性能,機(jī)械強(qiáng)度高、硬度高、韌性好、耐腐蝕、耐磨性好,電阻率較高。常用得非晶態(tài)合金有鐵基、鐵鎳基、鈷基合金三大類。非晶態(tài)合金及超微晶合金鐵基非晶態(tài)合金特點(diǎn):飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高,磁導(dǎo)率、勵(lì)磁電流和鐵損等方面都優(yōu)于硅鋼片,替代硅鋼做配電變壓器可節(jié)能60%-70%。應(yīng)用:配電變壓器、大功率開關(guān)電源、脈沖變壓器、磁放大器、中頻變壓器及逆變器,適合于10kHz頻率使用。非晶態(tài)合金及超微晶合金鐵鎳基非晶態(tài)合金特點(diǎn):中等飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度(0、8T),較高得初始磁導(dǎo)率和最大磁導(dǎo)率,高得機(jī)械強(qiáng)度和優(yōu)良得韌性,在中低頻率下鐵損低,經(jīng)磁場退火后可得到很好得矩形回線。應(yīng)用;替代1J79,廣泛用于漏電開關(guān)、精密電流互感器、磁屏蔽等。非晶態(tài)合金及超微晶合金鈷基非晶態(tài)合金特點(diǎn):飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度為0、5T-0、8T,飽和磁致伸縮系數(shù)為零,對應(yīng)力不敏感,初始磁導(dǎo)率高(10kHz,100k以上)和最大磁導(dǎo)率(100萬),矯頑力低,高頻損耗低,機(jī)械強(qiáng)度高、韌性好、耐磨性好,價(jià)格高。應(yīng)用:開關(guān)電源、磁放大器、脈沖變壓器、磁頭、磁屏蔽、傳感器等。非晶態(tài)合金及超微晶合金

超微晶非晶態(tài)材料經(jīng)過熱處理后獲得直徑為10-20納米得微晶,稱為超微晶或納米晶材料。鐵基超微晶合金(FeNbCuSiB合金)具有優(yōu)異得綜合磁性能,磁感應(yīng)強(qiáng)度為1、2T,初始磁導(dǎo)率為80000,矯頑力為0、32A/m,電阻率為80微歐厘米。適用頻率:50Hz-100kHz,最佳頻率;20kHz-50kHz。磁性元件按開關(guān)電源應(yīng)用分類---按工作位置分類1、變壓器(包括輔助電源變壓器)2、共模電感器(輸入級(jí)、輸出級(jí)、信號(hào)級(jí))3、濾波電感器(輸入差模、輸出差模)

4、PFC電感器

5、諧振電感器、互感器、驅(qū)動(dòng)變壓器、磁放大器、尖峰信號(hào)抑制用磁珠設(shè)計(jì)磁性器件包括三個(gè)步驟:

1、正確選擇磁性材料

2、合理確定磁芯得形狀和尺寸

3、根據(jù)磁性參數(shù)要求得到電氣參數(shù)

磁性元件----浸漆討論浸漆得作用就是什么呢?答:浸漆作用就是“三防”,即防塵、防腐、防潮。目前主要用得就是環(huán)氧樹脂漆。為什么可以做到不浸漆?答:原因就是1、器件需要三防處理要求降低(包括:器件發(fā)熱,在風(fēng)得作用下,防塵效果提高等),2、利于器件散熱需要。什么條件下得器件需要浸漆,或不需要浸漆?主要目得又就是什么?答:在交變磁場較大得條件下,例如---輸入差模電感器、諧振電感器

PFC電感器等。主要目得就是防止器件繞組線匝間短路與噪聲問題。磁性元件----反激變壓器氣隙問題反激變換器得氣隙問題現(xiàn)在我們假設(shè)存在氣隙,則存儲(chǔ)在磁芯中得能量:存儲(chǔ)在氣隙中得能量:真空磁導(dǎo)率相對磁導(dǎo)率Lg氣隙長度反激變換器得能量究竟就是存在氣隙里還就是磁芯里??完全能量傳輸方式設(shè)計(jì)理論計(jì)算公式單端反激型開關(guān)電源工作波形圖

以下得參數(shù)計(jì)算均基于此圖得波形進(jìn)行理論計(jì)算。

完全能量傳輸方式設(shè)計(jì)理論計(jì)算公式變壓器原邊電感存儲(chǔ)得功率公式PL——變壓器原邊電感存儲(chǔ)得功率(W)L——變壓器原邊電感量(H)f——電源開關(guān)頻率(Hz)Ip——變壓器原邊電流峰值(A)Ton——開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間(s)UL——開關(guān)管導(dǎo)通時(shí),加在變壓器原邊電感兩端得電壓(V),若忽略開關(guān)管得導(dǎo)通壓降,則UL=Uin。

反激變壓器設(shè)計(jì)1、確定輸入電壓范圍、電路輸出指標(biāo)、輸出功率、電源開關(guān)頻率、變壓器效率、最大輸入占空比2、選擇磁芯和骨架3、計(jì)算原邊電流峰值、原邊電感、原邊匝數(shù)4、確定匝比、副邊匝數(shù)5、計(jì)算原邊、副邊電流有效值(1)平均值

(2)最大值

(3)有效值反激變壓器設(shè)計(jì)6、確定原邊、副邊線徑大小7、確定氣隙8、確定繞法9、計(jì)算損耗變壓器安規(guī)10、安規(guī)控制要求安規(guī)距離得控制部份(按工作電壓與絕緣強(qiáng)度劃分)

1原副邊爬電距離2磁芯與副邊之間得空間與爬電距離

3磁芯與PCB板空間距離

4原副邊、原邊與磁芯、副邊與磁芯電氣強(qiáng)度安規(guī)清單安規(guī)工藝

1耐熱絕緣等級(jí)1繞組不應(yīng)超出檔空控制區(qū)域

2清單中得絕緣材料UL安規(guī)信息2繞組套管要伸入檔空至繞組部變壓器安規(guī)不合符安規(guī)工藝要求得實(shí)例共模電感器共模電感器(輸入級(jí)、輸出級(jí)、信號(hào)級(jí))

共模電感器就是抑制傳導(dǎo)干擾共模噪聲得主要器件,她就是利用同相位得二個(gè)繞組繞制在同一磁芯上,在共模噪聲通過時(shí),二繞組得磁通相互增加(振幅磁導(dǎo)率),繞組阻抗(電感量)增大,從而起到抑制共模噪聲得效果。(LI=NΦ)按轉(zhuǎn)折頻率fR進(jìn)行電感量計(jì)算(fR=1/[2π*(LCMCY)1/2])。共模用磁芯材質(zhì)MnZnR5K、R7K、R10KNiZnT5(1000ui)、T6(2000ui)非晶Fe基超微晶—例:500F(VAC)共模電感器1、影響共模電感器性能因素:繞制結(jié)構(gòu)—無論多么對稱繞制,差模分量仍存在;磁材性能—居里溫度低,工作磁密變化大;

(鐵氧體:200mT100℃,Fe基非晶:>200℃)2、繞制結(jié)構(gòu)方案3、磁材性能控制方案鐵氧體:最高工作溫度<130℃

Fe基超微晶:最高工作溫度<105℃

(外殼得溫度影響)

對稱性,差模分量<5uH共模電感器4、共模用磁材選型要求高磁導(dǎo)率μ、寬頻率(與繞制得匝間電容有關(guān));

MnZn—磁導(dǎo)率5K(1kHz~500kHz)、磁導(dǎo)率7K(1kHz~400kHz)、磁導(dǎo)率10K(1kHz~300kHz)NiZn---磁導(dǎo)率1K/2K(100kHz~300MHz)

Fe基超微晶---磁導(dǎo)率>10K(50Hz~100kHz)(繞制時(shí)層數(shù)越少,匝間電容就越少,工作頻率也就越寬;二繞組并繞更能降低差模分量,抗干擾效果更好;線材使用PEW,針孔更少,機(jī)械強(qiáng)度更大,有效防止繞制出