电力电子装置中的磁性材料和器件

刁利军 ljdiao@bjtu.edu.cn
順向式(Forward) 4.4.1在DC-DC变换器中的应用：Forward

變壓器作能量轉換用 變壓器需要一洩磁繞組 變壓器感量與操作要求有關 輸出電感作儲能與濾波用 輸出電感有直流成分
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4.2磁性材料 (Magnetic Materials) 4.2.2常用铁芯材料特性及选用 （1）冷轧硅钢带 特点：BS高、价廉，损耗决定于含硅量及钢带厚 适用场合：低频（工作频率高时，应选含硅量高、 带薄的硅钢片） 工作频率—硅钢片厚度： 50Hz—0.35mm 400Hz—0.2mm、lkHz—0.1mm
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4.2磁性材料 (Magnetic Materials) 几种磁性材料的B-H曲线对比
（来源：孙梅生，徐小鹏等.大功率非晶态变压器磁偏饱和的预防方法）
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4.2磁性材料 (Magnetic Materials) 几种磁性材料对比
由于集肤效应 的存在，采用 导电磁性材料 制作的铁芯应 采用厚度小于 穿透深度的叠 片形式
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4.2磁性材料 (Magnetic Materials) （3）涡流损耗 (Eddy Current Loss)
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4.2磁性材料 (Magnetic Materials) 4.2.4磁性材料热考虑(Magnetic Thermal Consideration) （1）损耗（绕线和铁芯）造成铁芯温升，一般铁芯 最高温度控制在100-125 ℃比较合适 当温度高于100 ℃时，铁芯损耗增加 饱和磁通密度Bs 随温度的升高而减小 附件的元器件如半导体器件、集成电路、电容等具 有相似的限制
d ( Nφ ) di e = L = dt dt
Nφ N Ni N 2 L = = = i i ℜ ℜ
可见，铁芯电感量取决于磁路本身 而不依赖于流过的电流
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4.1基本磁路知识 (Basic Magnetic Circuits) 变压器(Transformer)
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4.4磁性材料在电力电子中的应用 （Magnetic Material Applications ） 磁性器件的应用概述 （1）电能传送、电压变换和绝缘隔离：整流变压器、 逆变变压器和开关电源变压器等。 （2）控制开关元器件、脉冲变换和绝缘隔离：脉冲 变压器、触发变压器和驱动变压器等。 （3）电参数变换和稳定作用相数变换变压器，频率 变换变压器（铁磁式倍频器和分频器），稳压变压 器、稳流变压器和参数变压器等。
电力电子应用技术
CH4:电力电子装置中的磁性材料和器件
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引 子 我们所知道的磁性材料有哪些？ 他们在电力电子 中处于什么地位？ 在获取途径上，与电力电子器件相比，磁性材料最 大的不同之处在哪？
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磁性材料教学大纲 4.1基本磁路知识(Basic Magnetic Circuits) 4.2磁性材料(Magnetic Materials) –重点掌握 4.3磁性器件应用（ Magnetic Components Application）--部分重点掌握
由于漏磁的存在，设计得再好的变压器都有漏感！
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磁性材料教学大纲 4.1基本磁路知识(Basic Magnetic Circuits) 4.2磁性材料(Magnetic Materials) 4.3磁性器件设计（ Magnetic Components Design）
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4.4磁性材料在电力电子中的应用 （Magnetic Material Applications ） 4.4.1在DC-DC变换器中的应用：Flyback
變壓器兼儲能電感 輸出功率由變壓器感量決定 操作模式 不連續導通模式(DCM) 連續導通模式(CCM)
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选择铁磁材料要考虑的几个因素： 磁导率μ高→在较低的磁场强度H下就可得到较 高的磁感应强度B； 矫顽力Hc小→磁滞回线窄，磁滞损耗小； 电阻率高→涡流损耗小； 饱和磁感应强度Bs高→较小的磁芯截面积就可产 生较大的磁通，铁磁元件体积小； 温度升高时B—H曲线稳定性好。
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Fra Baidu bibliotek
4.2磁性材料 (Magnetic Materials) (2)软磁铁氧体 特点：陶瓷工艺制作的非金属磁性材料，ρ高，铁 损小。一般为锰锌铁氧体。制造工艺简单，价格较 便宜。 适用：几千到几兆赫，f>100kHz时，更显优势 缺点： Bs较低，温度稳定性较差，Bs随温度升高 而下降；居里点低，在设计时应使铁心最热点温度 小于100℃；机械强度较差，受压后易碎裂。
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4.1基本磁路知识 (Basic Magnetic Circuits) 磁路与电路的相似性
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4.1基本磁路知识 (Basic Magnetic Circuits) 电感（Inductance）
Li = Nφ
-Hc Hc H B Bs
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理想磁滞回线
4.1基本磁路知识 (Basic Magnetic Circuits) 磁性材料的常用磁性能参数 （cont.） 居里温度Tc：铁磁物质自发磁化消失的临界温度 损耗P：磁滞损耗Ph及涡流损耗Pe： P=Ph+Pe∝ f2t2/ρ ---降低磁滞损耗Ph的方法是降低矫顽力Hc； ---降低涡流损耗Pe 的方法是减薄磁性材料的厚度t及 提高材料的电阻率ρ。
设计目标： 尽可能小的 尺寸、重量 和成本！
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4.3.1电感设计 （Inductance Design） 4.3.1.2 举例：三相输出电感设计（板书）
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4.3.2变压器 （Transformer） 4.3.2.1变压器分类 按照功率大小、功能和用途可分为主功率变压 器(包括电源变压器、高频输出变压器)、驱动用隔 离变压器、电流检测互感器等。
（来源：孙梅生，徐小鹏等.大功率非晶态变压器磁偏饱和的预防方法）
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4.2磁性材料 (Magnetic Materials) 几种常用磁性材料性能对比
（来源：沙占友等.超微晶磁芯及其在开关电源中的应用）
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4.2磁性材料 (Magnetic Materials) 4.2.3磁性材料损耗(Magnetic Materials Loss) （1）磁滞损耗 (Hysteresis Loss)
磁性材料教学大纲 4.1基本磁路知识(Basic Magnetic Circuits) 4.2磁性材料(Magnetic Materials) 4.3磁性器件应用（ Magnetic Components Application）
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4.3.1电感 （Inductance ） 4.3.1.1电感分类 电感有储能电感、直流滤波电感、交流滤波电 感、抑制电磁干扰(EMI)电感等。
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4.2磁性材料 (Magnetic Materials) 4.2.4磁性材料热考虑(Magnetic Thermal Consideration) （2）铜绕线的温度限制 铜线电阻率和损耗随温度的升高而增加 绝缘材料可靠性随温度的升高而降低
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仅磁通的最大交流 分量Bac产生损耗！
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4.2磁性材料 (Magnetic Materials) （2）集肤效应(Skin Effect)
采用小直径的多股导线(李兹线)并绕或采用宽而扁的铜带d<2δ
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4.2磁性材料 (Magnetic Materials) （2）集肤效应(Skin Effect)
4.1基本磁路知识 (Basic Magnetic Circuits) 右手法则（Right-Hand Rule）
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4.1基本磁路知识 (Basic Magnetic Circuits) 磁通密度（Flux Density or B-Field）B=μH
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4.1基本磁路知识 (Basic Magnetic Circuits) 安培法则（Ampere’s Law）
∑H l = ∑N
k k k
∫ Hdl = ∑ i
m m
i
H1l1 + H g lg = N1i1
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4.2磁性材料 (Magnetic Materials) (4)非晶态合金 新颖的软磁合金，形态像玻璃，称为“金属玻璃”。 分为铁(Fe)基、钴(co)基和铁镍(FeNi)基三类。 特点：工艺简单，无需冶炼和轧制； BS 高、矫顽 力小、电阻率高、损耗小。 适用场合：Co基--几十千赫至几百千 赫的小功率高频变压器，Fe基--功率较 大的高频变压器，FeNi基--高频电感。
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4.4磁性材料在电力电子中的应用 （Magnetic Material Applications ） 磁性器件的应用概述 （4）起抑制纹波、突变、EMI和噪声滤波电感器、 噪声和尖峰吸收电感器等。 （5）起电流电压信号变换和检测作用电流互感器、 电压互感器和霍尔电流电压检测器等。
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4.2磁性材料 (Magnetic Materials) 4.2.1铁芯的三类工作状态 (1) I类：激磁电压(或电流)是一个纯交变量 (2)Ⅱ类：激磁电压为单向脉冲,一般是矩形脉冲 (3)Ⅲ类：直流滤波电感、储能电感或平波电抗器等 电感中：较大的直流分量+交变分量
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4.2磁性材料 (Magnetic Materials) (2)软磁铁氧体
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4.2磁性材料 (Magnetic Materials) (3)铁镍软磁合金(坡莫合金) 特点：高磁导率、极低的矫顽力及高矩形比；损耗 小、工作频率可达100kHz、温度特性好、居里点 高、磁性能稳定，故工作稳定可靠。 适用场合：特别适用于军品及宇航上。相同输出功 率时，其价格高于铁氧体。
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4.1基本磁路知识 (Basic Magnetic Circuits) 磁性材料的常用磁性能参数 饱和磁感应强度Bs 剩余磁感应强度Br：H回到0时的B值 矩形比：Br∕Bs 矫顽力Hc：材料磁化难易程度 磁导率μ：磁滞回线B与H的比值
在设计时，一般把工作点控制在饱和点以下！
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4.1基本磁路知识 (Basic Magnetic Circuits) 磁通的连续性（Flux Continuity）
∫ BdS = 0
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4.1基本磁路知识 (Basic Magnetic Circuits) 磁阻及导磁性（Magnetic Reluctance and Permeance）