第三章开关电源中的高频磁元件设计

18
3.1 磁性材料的概述
• 涡流损耗
• 是交变磁场在磁芯中产生环流引起的欧姆损耗。
1 2 2 2 2 P d BW f W 6r
d —— 密度，单位体积材料的质量
r —— 磁芯的电阻率
注： 涡流损耗取决于材料的截面尺寸和电阻率。 在工作频率一定时，减小磁性材料厚度及提高其电阻率可减小 涡流损耗。 为减少涡流损耗，可将低电阻率的磁合金材料碾轧成薄带，用 相互绝缘的n 片薄带叠成相同截面积磁芯代替整块磁芯。
24
缺点
3.2 磁性材料
•
磁粉芯
是一种由几类材料复合而成的复合型铁 芯 由于是将磁性材料与非导磁材料粉末复 合而成，相当于在铁芯中加了气隙，具 有在较高磁场强度下不饱和的特点。 但其相对磁导率较低，通常在20～300 之间，主要用于制作滤波电感，其结构 以环形为主。
组成 优点 缺点
25
3.2 磁性材料 非晶态合金
3.2 磁性材料
磁芯磁性能 • 按磁滞回线宽窄，把磁性材料分为软磁性材料和硬磁 性材料两大类。 • 开关电源主要应用软磁材料。 • 软磁材料特点： • 较高的磁导率——在线圈匝数和外加电压一定时 ，很小的激磁电流就能有较高的磁感应强度，因 此在输出一定功率要求下，可减小变压器体积 • 磁芯矫顽力低——磁滞回环面积小，磁芯磁滞损 耗小 • 高的电阻率——磁芯涡流损耗小
16
3.1 磁性材料的概述
• 磁芯损耗（铁损）PC
• 磁芯在工作磁感应强度时的单位体积损耗，主要包括磁
滞损耗(PH)、涡流损耗(PW)和残留损耗。
• 工作磁感应强度BW
US BW 106 4.44 fNAe
BW —— 工作磁感应强度（mT）
US —— 线圈两端的电压（V）
f —— 频率（kHz） Ae ——有效截面积（mm2）
4
3.1 磁性材料的概述
磁性材料的磁化
铁磁材料之所以具有 高导磁性，磁畴。 磁畴是怎么 形成的？
铁磁材料内部往往有相邻 的几百个分子电流圈流向一致 ，因此在这些极小的区域内就 形成了一个个天然的磁性区域 —磁畴。
（a）无外磁场情况 铁磁材料内部的 磁畴排列杂乱无章， 磁性相互抵消，因此 对外不显示磁性。
l ——磁路长度(mm)
磁导率中的最大值
（5）动态磁导率d 在磁化曲线上各点切线的斜率，表示该点附近磁感 应强度随磁场强度变化的情况。
dB d dH
14
3.1 磁性材料的概述
• 饱和磁感应强度 BS
• 随磁芯中磁场强度H增加，磁感应强度出现饱和时的B 值，称饱和磁感应强度BS。
• 剩余磁感应强度 Br
环形
免去环形绕线困难缺点，可用机械绕线
主要用于脉冲变压器和宽带变压器
28
3.2 磁性材料
EI形 罐形 EC形
EE形 PQ形
U形
• • • •
磁芯的使用一定要在居里温度以内； 综合考虑磁导率、脆度、硬度、温度稳定性等因素； 最后考虑工作频率和噪声； 铁氧体在磁场作用下，会使材料有收缩或膨胀现象， 称为磁致伸缩现象。
• 非晶合金是近20年刚刚发展起来的一种新型磁性材料
组成 分类
由两类元素组成：一类是铁磁性元素（铁、钴、镍或者 他们的组合），它们用来产生磁性；另一类是硅、硼、 碳等，它们称为类金属，也叫做玻璃化元素，有了它们， 合金的熔点比纯金属降低了很多，才容易形成非晶。
铁基非晶合金；铁镍基非晶合金；钴基非晶合金；铁基 纳米晶合金（超微晶合金）；
开 关 电 源中 的 高 频 磁元 件设计
1
第一节 磁性材料的基本特性
3.1 磁性材料的概述
磁元件在开关电源中的作用
• 当变压器使用
• 电气隔离、能量传递、根据变比不同，实现升、降压 • 电压、电流互感器 • 多脉波整流
• 当电感使用
• 储能、滤波 • 抑制电流尖峰，保护易受电流损坏的电子元器件 • 实现开关管的软开关
电阻率可达120~150μΩ，为冷轧硅钢片的3倍，但远不如 铁氧体； 电阻温度系数小，可以为零或负值； 居里温度高，可达350~700°C； 饱和磁密度高，可达1.2~1.6T，比铁氧体高得多；
特点
形状规 由于比较脆，所以一般都制成环形或比较简单的闭合式C 型（近似矩形）铁芯。 格 一般都不开气隙，因为性能会变坏，导致损耗增加。
S S
B
n
α
或
f BS
单位：韦伯（1Wb=1VS（伏秒）） 麦克斯韦（Mx）
S
dS
1 Wb =108 Mx
11
3.1 磁性材料的概述
• 磁场强度 H • 在任何磁介质中，磁场中某点的磁感应强度B与同 一点的磁导率μ的比值称为该点的磁场强度H。
H
B

单位：安培/米 （ A/m）、奥斯特 （ Oe） 1 Oe =103/4π（ A/m）
3.2 磁性材料 改良型磁芯：如果把罐形磁芯外圆切掉一部分，
或与其他形状的磁芯综合，则变的通风良好，解决 了罐形磁芯温升过高的问题。
EP形
31
铁粉心
1．高饱和磁感应强度，可以达到10000高斯以上，可以在 大电流下工作而不饱和，具有优异的直流叠加特性； 2．良好的稳定性和可靠性，非常好的磁导率频率特性，使 用频率范围宽，可以从KHz～GHz； 3．磁导率范围6～100， 4．产品可以为E型，U形，棒形，SMD形等复杂形状； 5．有着良好的温度特性，可以在-55～125℃的范围内正常 工作； 6．与硅钢和铁氧体材料相比铁粉心对噪音有着更好的阻 挡和吸收特性； 7．高能量存储密度； 8．使用原材料为铁粉，制作工艺相对简单（不用进行退 火处理），价格低廉。 主要材质型号：-2材质，-8材质，-18材质，-26材质，-28 材质，-33材质，-40材质，-52材质等八种通用型材质。
19
.1 磁性材料的概述
• 电感系数 AL
• 电感系数是磁芯上每一匝线圈产生的自感量。
L —— 磁芯线圈的自感量（H）
N —— 线圈匝数
20
最大磁能积：退磁曲线上任何一点的B和H 的乘积代表了磁铁在气隙空间所建立的磁 能量密度，即气隙单位体积的静磁能量， 由于这项能量等于磁铁B与H的乘积，因 此也称为磁能积，磁能积随B而变化的关 系曲线称为磁能曲线，其中一点对应的B 和H的乘积有最大值，称为最大磁能积 (BH)max 。
3.1 磁性材料的概述
磁性材料的基本特性 • 磁感应强度 B （磁通密度）
• 表征磁场中某一点的磁性强弱和方向的矢量
F B IL
方向：左手定则 单位：特斯拉（ T）、 高斯（GS），1 GS =10-4 T
10
3.1 磁性材料的概述
• 磁通 f
• 穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总和。
f df B cos dS
《软磁铁氧体材料分类》的电子行业标准
27
3.2 磁性材料
• 闭路磁芯
• 这类磁芯的磁路是闭合的或基本闭合的，IEC1332（ 国际电工委员会IEC的定义）称闭路磁芯为CL类磁 芯。
罐形 E形
磁芯在外，线圈在内，减少EMI（电磁干扰）；内部线 圈散热不良，温升高 配对使用，用于各种变压器或和扼流圈
C形
22
磁性材料的分类
3.2 磁性材料
常用的软磁性材料
• 铁氧体
组成
一般是氧化铁和其它金属成分组成
材质特点 深灰色或黑色陶瓷材料，质地既硬又脆，化学
稳定性好
优点
电阻率高 磁导率随频率的变化特别稳定 形状、种类丰富，应用方便 可广泛用于变压器电感等磁性器件的设计 饱和磁感应强度小 温度稳定性差 力学性能差、脆
29
（国际电工委员会IEC的定义）
EMI(电磁干扰)~
电磁干扰（Electromagnetic Interference 简称 EMI），是指电磁波与电子元件作用后而产生的 干扰现象，有传导干扰和辐射干扰两种。传导 干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号 耦合(干扰)到另一个电网络。辐射干扰是指干扰 源通过空间把其信号耦合(干扰)到另一个电网络 ，在高速PCB及系统设计中，高频信号线、集成 电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天 线特性的辐射干扰源，能发射电磁波并影响其 他系统或本系统内其他子系统的正常工作。
3.1 磁性材料的概述
• 饱和磁滞回线
磁化的不可逆性
将磁性材料沿磁化曲线OS 由 完全去磁状态磁化到饱和Bs，如再 将外磁场H 减小，B 值将不再按照 原来的初始磁化曲线（OS）减小， 而是更加缓慢地沿较高的B 减小。 即使外磁场H=0 时，B≠0。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。
磁滞现象
BS —— 饱和磁感应强度 Br —— 剩余磁感应强度 HC —— 矫顽力
8
磁感应强度B 的改变滞 后于磁场强度H 的现象称 为磁滞现象。
基本磁学术语
磁场： （国际电工委员会IEC的定义）电磁
场的组成部分，采用磁场强度H和磁通密 度B表示其特征。（我国国家标准定义）磁 场是一种场，其特征可在场内运动着的带 电粒子所受的力来确定，这种力源于粒子 的运动及其所带电荷。
13
1
3.1 磁性材料的概述
（3）有效磁导率e 在闭合磁路中，或多或少地存在着气隙，若气隙 很小可以忽略，则可以用有效磁导率来表征磁芯的导 磁能力。
L l 7 e 10 4N 2 Ae
（4）最大磁导率M
L —— 线圈的自感量（mH） N——线圈匝数
Ae ——磁芯截面积（mm2）
• 磁芯从磁饱和状态去除磁场后，剩余的磁感应强度或 残留磁通密度。
• 矫顽力 HC
• 磁芯从饱和状态去除磁场后，继续反向磁化直至磁感 应强度减小到零，此时的磁场强度称为矫顽力或保磁 力。
15