磁性元件设计
开关电源工程化实用设计指南
开关电源工程化实用设计指南开关电源是一种非常重要的电力转换设备，它可以将输入的直流电压转换为输出的交流电压，从而满足各种电子设备的供电需求。
开关电源的工程化实用设计是一项涉及到多个领域的技术工作，包括电路设计、磁性元件设计、功率转换器设计、控制器设计和可靠性设计等。
下面将介绍开关电源的工程化实用设计指南。
一、电路设计开关电源的电路设计是整个设计的核心，也是最关键的一步。
在电路设计中，需要考虑以下几个方面的因素：输入和输出电压：开关电源的输入和输出电压需要根据电子设备的实际需求来确定。
在输入电压方面，需要考虑到电网电压的波动和噪声等因素，确保开关电源能够稳定工作。
在输出电压方面，需要根据电子设备的功率和负载特性来进行设计，确保输出的电压能够满足电子设备的供电需求。
功率容量：开关电源的功率容量需要根据电子设备的功率需求来确定。
在确定功率容量时，需要考虑到开关电源的最大负载和可能出现的峰值负载等因素，确保开关电源的功率容量足够且不会出现过载或损坏的情况。
电路拓扑：开关电源的电路拓扑是指其基本电路结构。
根据不同的需求，可以选择不同的电路拓扑来进行设计。
常用的电路拓扑包括BUCK型、BOOST型、BUCK-BOOST型等，需要根据实际情况来选择合适的电路拓扑。
控制方式：开关电源的控制方式是指如何控制开关管的导通和关断，以达到稳定输出电压的目的。
常用的控制方式包括脉冲宽度调制（PWM）、脉冲频率调制（PFM）和电流模式控制等，需要根据实际情况来选择合适的控制方式。
二、磁性元件设计开关电源中的磁性元件主要包括电感和变压器，它们在功率转换器中起到重要的作用。
在磁性元件设计中，需要考虑以下几个方面的因素：磁芯材料：磁芯材料的选择是磁性元件设计的关键。
常用的磁芯材料包括铁氧体、坡莫合金和非晶合金等，需要根据实际情况来选择合适的磁芯材料。
线圈设计：线圈设计是磁性元件设计的另一个关键因素。
在电感设计中，需要考虑到线圈的匝数、线径和绕制方式等因素，以确保电感能够满足开关电源的负载需求。
5-磁性器件-PPT课件
电力电子技术研究室
第三章 开关电源中磁性器件设计
② 含较大直流分量，为使磁芯不饱和，必须加适当的 气隙。 ③ 此类磁芯希望其最大储能大，要求最大磁感应强度 大。
三 常用磁性材料
* 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。 * 如果磁滞回线很宽，即Hc 很高，需要很大的磁场强度才能 将磁材料磁化到饱和，同时需要很大的反向磁场强度才能将材料 中磁感应强度下降到零，我们称这类材料为硬磁材料。 * 如铝镍钴，钐钴，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。这类材料磁化曲线宽，矫顽磁力高。
（3）材料性能
① 电阻率(ρ ) 锰锌铁氧体0.1～20Ωm、镍锌铁氧 体为104～106Ωm。 电阻率还与温度和测量频率有关。 ② 磁化曲线 右图是某型号铁氧体的低频磁滞回线
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第三章 开关电源中磁性器件设计
由于在铁氧体中存在粘结剂，与磁粉芯类似的原因，饱和过 程是缓慢的。 磁化曲线与温度的关系，在100℃时，饱和磁感应强度由常 温（25℃）的0.42T 下降到0.34T。因此，在选择磁芯时应考虑 这一因素。 ③ 损耗 磁芯损耗和工作频率与磁感应强度变化范围有关，可参 考赵修科《开关电源中磁性元器件》。
② 磁性比较弱（饱和磁感应强度大约为1T以下）；
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第三章 开关电源中磁性器件设计
③ 价格较贵，但磁导率比较高，可以代替硅钢片或 者坡莫合金，用作高要求的中低频变压器铁芯； ④ 例如漏电开关、互感器。 * 钴基非晶合金： ① 由钴和硅、硼等组成，有时为了获得某些特殊的 性能还添加其它元素； ② 由于含钴，价格很贵，磁性较弱（饱和磁感应强 度一般在1T以下），但磁导率极高； ③ 一般用在要求严格的军工电源中的变压器、电感 等，替代坡莫合金和铁氧体。 * 铁基纳米晶合金（超微晶合金）： ① 它们由铁、硅、硼和少量的铜、钼、铌等组成， 其中铜和铌是获得纳米晶结构必不可少的元素；
开关电源磁性元件理论及设计
目录分析
该部分简要介绍了开关电源磁性元件的基本概念、发展历程以及研究意义。 通过对开关电源市场的概述，突出了磁性元件在其中的重要地位，为后续章节的 学习奠定了基础。
目录分析
这部分详细介绍了与磁性元件相关的基本概念和理论。首先对磁性材料的特 性进行了概述，包括磁导率、磁饱和等概念。随后深入阐述了磁场、电感等基本 物理量，为后续章节的理论分析提供了支撑。
阅读感受
我要感谢这本书的作者以及商，为我们带来了这样一本宝贵的书籍。这本书 不仅是一本理论和实践相结合的教材，更是一部深入浅出、系统全面的参考书。 我坚信，无论是初学者还是专业人士，都能从中受益匪浅。
目录分析
目录分析
在现代电力电子技术中，开关电源以其高效、节能的特点被广泛应用。而作 为开关电源核心部件的磁性元件，其理论及设计的重要性不言而喻。本书将对 《开关电源磁性元件理论及设计》这本书的目录进行深入分析，以揭示其知识体 系和结构。
开关电源磁性元件理论及设计
读书笔记
01 思维导图
03 精彩摘录 05 目录分析
目录
02 内容摘要 04 阅读感受 06 作者简介
思维导图
本书关键字分析思维导图
元件
深入
电源
电源
这些
设计
可以
论及
开关
磁性 开关
实践
设计
理解
探讨
读者
理论
提供
指导
内容摘要
内容摘要
《开关电源磁性元件理论及设计》是一本深入探讨开关电源磁性元件理论和实践的书籍。这本书 为读者提供了关于磁性元件在开关电源中应用的全面的理解和指导，无论是在理论上还是在设计 实践上。 这本书详细介绍了磁性元件的基本理论，包括电磁学的基本原理，磁性材料的性质，以及磁性元 件在开关电源中的工作原理。通过这些基本概念的阐述，读者可以建立起对磁性元件的深入理解， 从而更好地理解其在开关电源中的作用。 这本书深入探讨了磁性元件的设计和优化。这部分内容涵盖了从磁性元件的参数选择，到设计过 程的每一步，再到最后的优化过程。无论是选择合适的磁性材料，还是确定元件的尺寸和形状， 都有详尽的解释和指导。书中还提供了多种设计实例，让读者可以更直观地理解这些理论和方法 的应用。
磁性元件设计
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开关变换器建模、控制和设计 磁性材料
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4) 磁性材料的分类
软磁材料应用的几个注意点
在低频(比如50Hz)应用中，一般铁氧体比不上性能优良的硅钢片。若在低频 时采用铁氧体磁芯，变压器的体积就非常大，因此在低频时，特别是工频时都采 用硅钢磁芯。在高频(比如20kHz)时叠层式硅钢片的涡流和磁滞损耗很大，铁氧 体则由于其高电阻率磁芯的损耗很低，因此在高频时通常用铁氧体磁芯。
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开关变换器建模、控制和设计
磁性材料
4) 磁性材料的分类
软磁性材料
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开关变换器建模、控制和设计 磁性材料
4) 磁性材料的分类
软磁性材料
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近年来非晶态软磁材料和微晶软磁材料发展很快，由于它们的性能优良，加 工成形容易而受到人们的青睐。目前在十几KHz至几十KHz的中、大功率电力电 子装置中应用较广。在上百KHz领域及十KHz的小功率领域仍以铁氧体磁芯材料 为主。
负载电流较大时，磁芯的选择一般不直接选用高磁导率材料，通常选用磁导 率较低的材料，在选滤波扼流圈磁芯时更是如此。这是因为磁导率较低可以去掉 较大的有效空气隙。
磁芯201的4/1电2/31阻率大，涡流损耗小。
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开关变换器建模、控制和设计 磁性材料
开关电源中的磁性元
根据电源转换需求，设计变压器 的线圈匝数、绕组方式、铁芯尺 寸等参数，以实现电压和电流的
转换。
电感器设计
根据滤波和储能需求，设计电感器 的线圈匝数、绕组方式、磁芯尺寸 等参数，以实现电流的滤波和储能。
互感器设计
根据信号传输需求，设计互感器的 线圈匝数、绕组方式、磁芯尺寸等 参数，以实现电压和电流的测量和 传输。
磁性元件面临的挑战
高温环境
随着开关电源工作温度的升高，磁性元件需要具备更高的耐热性能 和稳定性，防止高温下性能下降或失效。
电磁干扰
开关电源中的磁性元件会产生电磁干扰，对周围电路和设备产生影 响，需要采取有效的电磁屏蔽和噪声抑制措施。
可靠性问题
在高频、高温和复杂环境下，磁性元件的可靠性面临挑战，需要加 强元件的材料、结构和工艺等方面的研究。
感谢您的观看
未来磁性元件的研究方向
新材料研究
探索新型的磁性材料，如纳米材料、高磁导率材 料等，以提高磁性元件的性能和适应性。
集成化研究
研究磁性元件的集成化技术，实现多功能的集成 和优化，提高开关电源的整体性能。
智能化研究
研究磁性元件的智能化技术，实现自适应调节和 控制，提高开关电源的智能化水平。
THANKS FOR WATCHING
在开关电源中，磁性元件通常用于实现电压和电流的转换、储能和控制等功能，是开关电源的重要组成部分。
磁性元件的种类
变压器
用于实现电压和电流的转换，通常由两个或多个线圈 绕在磁芯上组成。
电感器
用于实现储能和控制，通常由线圈绕在磁芯上组成。
磁性材料
用于制造磁芯，常用的磁性材料有铁氧体、钕铁硼等。
磁性元件在开关电源中的作用
磁性元件的热设计
磁性元件设计作业规范
明确磁性元件设计的内容、设计标准，实现磁性元件的系列化、标准化、流程化及
易量产、低成本、高品质的目的。
2、范围
适用于本公司电源磁性元件设计的步骤及各步骤的设计要点与评审要求，适用
于进行磁性元件设计时进行规划或方案设计。
3、职责
3.1研发中心各设计专案工程师负责：负责初始参数及成品确认；
3.2研发中心磁性元件工程师:负责磁性元件参数及工艺结构评估和调整,并标准化；
5.1.3根据磁芯/骨架规格/PIN位图)确定:PCB布线；
5.1.4根据客户的要求与具体产品实用规格设计产品各参数:电压,功率,频率,占空比,电
流,初次级圈数/线径/有效电流/电阻等；
5.1.5根据产品的参数设计磁性元件图、申请料号、发行图纸；
5.1.6根据磁性元件图,制作样品；
5.1.7根据磁性样品；作性能及结构确认与各参数验证；
e)耐压测试；f)试作。
5.3磁性元件编码规则规范
5.3.1变压器类编码规则:略；
5.3.2电感类编码规则:略.
5.4磁性元件图纸设计制作规范
5.4.1根据产品品的绕线结构图制作电气原理图；
5.4.3根据产品的结构图/PCB结构制作外观图；
5.4.4.描述工艺注意事项；
5.4.5制作电气特性；
5.4.6列出材料规格；
5.4.7制作标签规范；
5.4.8列出图纸控制方式:版本,变更,编码,适用机型等。
6、参考文件
无
7、相关附件/表单
无
5.1.8根据确认与验证磁性的样品；标准化各电性参数并发行图纸请购样品及承认。
修订次
修订内容
修订日期
制定
审核
核准
5.2磁性元件各材料选定要求及检验要求
开关式电源中的磁性元件
1
2>
1>
3
5
Harmonic Number 谐波次数
7
9
11 13 15 17 19 21
1) CH1: 2) CH2:
2 00 V 5 ms 2 A 5 ms
In this case the harmonics are huge, because much of the power is concentrated in a short period of time in each cycle. 在这种情况下，谐波次数很大， 因为大部分的能量集中在每个周期一段很短 的时间内。
Preal 有功 (v ⋅ i )averaged over one cycle （一周期内的平均） PF = = Papparent 视在 Vrms ⋅ Irms
Where v and i are instantaneous values of voltage and current, and rms indicates the root-mean-squared value of the voltage or current. The apparent power (Vrms x Irms), in effect, limits the available output power. 其中v和i是电压和电流的瞬时值，rms代表电压或电流的均方根值 。视在功率（ Vrms x Irms ）实际上限制了可能的输出功率。
100,000
0.55
90
Mag. Am ps 磁 放大器
Note the wide range of permeability and power loss. 注意宽范围的磁导率和功耗。
磁性元件设计
磁性材料在应用中必须注意其居里点温度。一些铁氧体的居里点温度可以低 到130℃左右。解决的办法是在居里点和工作温度之间留有一个安全间隔.
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5)磁芯损耗 磁芯在最大磁感应强度时的单位体积损耗
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I
N
H
lc
H
B mr m0
lc
B m0
B mr m0
lc
mr
H
lc
mr
H
lc
1
mr lc
等效磁导率
me
mr
1
mr
lc
1
mr
1
lc
mr 1
lc
剩余磁感应强度
Br *
mem0 Hc
lc
m0 Hc
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耗低、价格低，适合用于高频变压器磁芯。
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6) 磁性材料的选择
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开关电源的磁性材料 ：双向磁化变压器或谐振电感：锰锌铁氧体、非晶磁芯
电感扼流圈：铁粉芯、锰锌铁氧体、镍芯铁氧体、非晶磁芯
共模抑制器或尖峰抑制器：高导磁率的锰锌铁氧体、非晶磁芯等
近年来非晶态软磁材料和微晶软磁材料发展很快，由于它们的性能优良，加 工成形容易而受到人们的青睐。目前在十几KHz至几十KHz的中、大功率电力电 子装置中应用较广。在上百KHz领域及十KHz的小功率领域仍以铁氧体磁芯材料 为主。
电器学电磁铁设计.
目录引言 (1)1 概述 (2)1.1 基本公式及概念 (2)1.2 一个简单电磁铁产品的结构图 (6)1.3 电磁铁的结构形式 (7)2直流电磁铁的设计要求 (9)3 直流电磁铁的设计与计算 (10)3.1 电磁铁设计点的选择 (10)3.2选择电磁铁的结构形式 (11)3.2.1用结构因数选择电磁铁的结构形式 (11)3.3 直流电磁铁的初步设计 (12)3.3.1 决定铁心半径和极靴半径 (12)3.3.2 计算线圈磁通势 (13)3.3.3 计算线圈高度及厚度 (14)3.3.4计算线圈导线直径及匝数 (16)3.4 计算极靴、衔铁和铁轭的尺寸 (16)3.5 电磁铁草图 (18)4 电磁铁性能验算 (19)5结论 (22)心得体会 (23)参考文献 (24)引言电磁铁是一种执行元件，它输入的是电能，输出的是机械能。
电能和机械能的变换是通过具体的电磁铁结构来实现的。
合理的电磁铁结构是能量变换效率提高的保证。
电磁铁设计的任务是合理的确定电磁铁的各种结构参数。
确定电磁铁的各种结构参数是一个相当复杂的任务，下面我们探讨确定电磁铁结构参数的一般方法。
电磁铁吸合过程是一个动态过程,设计是以静态进行计算.电磁铁是通电产生电磁的一种装置。
在铁芯的外部缠绕与其功率相匹配的导电绕组，这种通有电流的线圈像磁铁一样具有磁性，它也叫做电磁铁。
我们通常把它制成条形或蹄形状，以使铁芯更加容易磁化。
另外，为了使电磁铁断电立即消磁，我们往往采用消磁较快的的软铁或硅钢材料来制做。
这样的电磁铁在通电时有磁性，断电后磁就随之消失。
电磁铁在我们的日常生活中有着极其广泛的应用，由于它的发明也使发电机的功率得到了很大的提高。
1 概述1.1 基本公式及概念电磁铁是通电产生电磁的一种装置。
在铁芯的外部缠绕与其功率相匹配的导电绕组，这种通有电流的线圈像磁铁一样具有磁性，它也叫做电磁铁(electromagnet)。
我们通常把它制成条形或蹄形状，以使铁芯更加容易磁化。
电感元件设计规范0A_0606 1129
电感元件设计规范文件编号：XXXXXXXX制订：审核：批准：生效日期：会签部门会签人/日期会签部门会签人/日期研发部行政部采购部商务部制造中心财务部人事部国际销售部IT部国内销售部大机事业部发电事业部变更记录项次版次变更内容制定制定日期1 00 First Draft索引与目录1 目的42电磁学基本概念及公式 (4)2.1 基本概念 (4)2.2 基本公式 (4)3磁元件的基本特性 (5)3.1 磁滞效应（Hysteresis Effect）： (5)3.2 霍尔效应（Hall Effect）： (5)3.3 临近效应（Proximity Effect） (5)3.4 磁材料的饱和 (6)3.5 磁芯损耗 (6)4电感磁芯的分类及特点 (7)4.1 磁芯材料的分类及其特点 (7)4.1.1 铁氧体（Ferrite） (7)4.1.2 硅钢片（Silicon Steel） (7)4.1.3 铁镍合金（又称坡莫合金或MPP） (8)4.1.4 铁粉芯（Iron Powder） (8)4.1.5 铁硅铝粉芯（又称Sendust或Kool Mu） (8)4.2 磁芯的外形分类： (8)4.3 电感的结构组成 (9)4.3.1 环型电感 (9)4.3.2 EE型电感/变压器 (10)4.4 电感的主要类型： (10)4.5 电感磁芯主要参数说明 (10)5电感在UPS中的应用 (11)6电感设计的原则 (14)6.1 原则一：电感不饱和（感值下降不超出合理范围） (14)6.2 原则二：电感损耗导致的温升在允许的范围内（考虑使用寿命） (17)6.3 原则三：电感的工艺要求可以达成 (19)7设计步骤 (21)8附录 (22)8.1 设计范例 (22)8.2 MicroMetals厂商提供的应用文档 (22)1 目的磁性元件的设计是开关电源设计中的重点和难点，究其原因是磁性元件属非标准件，其 设计时需考虑的设计参数众多，工艺问题也较为突出，分布参数复杂。
常用磁性器件中磁芯的选用及设计
常用磁性器件中磁芯的选用及设计开关电源中使用的磁性器件较多，其中常用的软磁器件有：作为开关电源核心器件的主变压器（高频功率变压器）、共模扼流圈、高频磁放大器、滤波阻流圈、尖峰信号抑制器等。
不同的器件对材料的性能要求各不相同，如表所示为各种不同器件对磁性材料的性能要求。
（一）、高频功率变压器变压器铁芯的大小取决于输出功率和温升等。
变压器的设计公式如下：P=KfNBSI×10-6T=hcPc＋hWPW其中，P为电功率；K为与波形有关的系数；f为频率；N为匝数；S为铁芯面积；B为工作磁感；I为电流；T为温升；Pc为铁损；PW为铜损；hc和hW为由实验确定的系数。
由以上公式可以看出：高的工作磁感B可以得到大的输出功率或减少体积重量。
但B值的增加受到材料的Bs值的限制。
而频率f可以提高几个数量级，从而有可能使体积重量显著减小。
而低的铁芯损耗可以降低温升，温升反过来又影响使用频率和工作磁感的选取。
一般来说，开关电源对材料的主要要求是：尽量低的高频损耗、足够高的饱和磁感、高的磁导率、足够高的居里温度和好的温度稳定性，有些用途要求较高的矩形比，对应力等不敏感、稳定性好，价格低。
单端式变压器因为铁芯工作在磁滞回线的第一象限，对材料磁性的要求有别于前述主变压器。
它实际上是一只单端脉冲变压器，因而要求具有大的B＝Bm－Br，即磁感Bm和剩磁Br之差要大；同时要求高的脉冲磁导率。
特别是对于单端反激式开关主变压器，或称储能变压器，要考虑储能要求。
线圈储能的多少取决于两个因素：一个是材料的工作磁感Bm值或电感量L，另一个是工作磁场Hm或工作电流I，储能W＝1/2LI2。
这就要求材料有足够高的Bs值和合适的磁导率，常为宽恒导磁材料。
对于工作在±Bm之间的变压器来说，要求其磁滞回线的面积，特别是在高频下的回线面积要小，同时为降低空载损耗、减小励磁电流，应有高磁导率，最合适的为封闭式环形铁芯，其磁滞回线见图所示，这种铁芯用于双端或全桥式工作状态的器件中。
磁性元件及高频变压器设计介绍
磁性元件及高频变压器设计成继勋 2009.12.31（2011.3.22修改）1 磁性材料的磁化1.1 磁化曲线在外磁场（或电流）的作用下，磁性材料被磁化，磁化曲线如图图1.1 图1.2 在交变磁场的作用下，形成磁滞回线。
H H B r 0μμμ== （1.1）H -磁场强度，SI 单位制A/m ；CGS 制：Oe （奥斯特），1A/m=4π×10-3OeB -磁通密度（磁感应强度，磁化强度）SI 单位制：T （Tesla 特斯拉）；CGS 制：Gs （高斯），1T=104Gs μ-磁导率，H/m （亨利/米）；μ0-真空磁导率，SI 单位制中μ0= 4π×10-7H/m ，CGS 制中μ0=1。
μr -相对磁导率，无量纲 在均匀磁场中SB ϕ=（1.2）φ-磁通量，SI 单位制：Wb （韦，韦伯）；CGS 制：Mx （麦，麦克斯韦）1Wb=10-8Mx S -面积，SI 单位制：m 2; CGS 制：cm 2Hs 称饱和磁场强度，Hc 称矫顽力 Bs 饱和磁通密度，Br 剩余磁通密度（剩磁）1.2 几个磁导率的概念（1）初始磁导率)0(0→∆∆=H HBi μμ （2）最大磁导率μm ：磁化曲线上μm 的最大值max0HB m μμ=（3）增量磁导率(脉冲磁导率) μΔDCH H HB =∆∆∆=0μμ图1.3即在具有直流偏置磁场时，再加上一个交流磁场，这时测得的磁导率。
（4）幅值磁导率 μa没有直流偏置时，交变磁场强度的幅值与磁通密度幅值的关系称为幅值磁导率μa（5）有效磁导率μe在磁路中存在气隙，即非闭合磁路条件下，测得的磁导率为有效磁导率1.3 安培环路定律图1.4 图1.5∑⎰⎰==I dl H l d H lαcos （1.3） 对绕N 匝线，电流为I 的磁环NI Hl l d Hl==⎰ （1.4）式中，l=2πr 为磁路长度，H 为磁芯中的磁场强度为lNIH =（1.5） NI F = （1.6）称为磁（动）势，单位A ，常称为安匝。
LLC谐振变换器磁性元器件的优化设计
电子设备 的小型化对开关 电源 的效 率和功率 密度提 出了越来越高的要求 ．为 了满足上述要求 ， 科研工作者从拓扑层 面和器件层面做 了很多工作 。
从拓 扑 层 面来 说 ， Ｌ Ｌ Ｃ谐 振变 换 器 因为其 独 特 的性 能受 到 了越 来越 多 的关 注 ． 然而 Ｌ Ｌ Ｃ谐 振 参 数 的设
Ｖｏ Ｉ ． １ ６ Ｎｏ ． ７
２ ０ １ ３ 年７ 月
Ｊ ｕ ｌ ｙ ． ２ ０ １ ３
设计方法 ， 使得设计过程简单 、 直观。
１ ． １ 谐 振参数 对 变换器 性能 的影 响
变换器工作在谐振频率附近 ， 当电路工作在谐振频
率 时励 磁 电感 电流 与谐振 腔 电流波形 如 图 ２所示 。
如图 １ 所示
图 ２ 在谐 振 频 率的 网络 电 流 波形
励磁电感电流峰值可表示为
＝
（ １ ）
一
Ｑ ０ １ ６
Ｑ 。 。 ０ ２ Ｑ ＝ ０ ． ２ ５ ０ ＝ ｏ ３ ａ ＝ ｏ ５ ～
臻 勘题 霈爵 鼹撬恭
Ｌ Ｌ Ｃ谐振变换器磁性元器件的优化设计
翦志强 ， 王 宏 ， 吴 奎
５ １ ８ ０ ５ ５ ） ５ １ ８ ０ ５ ５ ） （ １ ． 金 宏 威技 术股份 有 限公 司， 深圳 （ ２ ． 哈 工 大深圳研 究 生 院 ， 深圳
摘
要： 分析 了Ｌ Ｌ Ｃ谐振参数对变换器性能的影响 ， 总结出 Ｌ Ｌ Ｃ谐振参数的图解法， 能快速得到谐
Ｊ Ｉ ＡＮ Ｚ ｈ ｉ － ｑ ｉ ａ ｎ ｇ ， ＷＡＮＧ Ｈｏ ｎ ｇ ， ＷＵ Ｋｕ ｉ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｌ ｆ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｔ ｏ ｐ ｅ ｆｏ ｒ ｒ ｍａ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｔ ｅ ｒ ｂ ｅ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ Ｌ Ｌ Ｃ ｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ａ ｎ ｔ ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ａ ｒ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ ， ｔ ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ｉ ｃ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｏ ｆ Ｌ Ｌ Ｃ ｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ａ ｎ ｔ ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ａ ｒ ｅ ｓ ｕ ｍｍａ ｉｚ ｒ ｅ ｄ ，ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍａ ｌ ｖ ａ ｌ ｕ ｅ ｏ ｆ ｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ａ ｎ ｔ ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｃ ａ ｎ ｂ ｅ ｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ ｑ ｕ ｉ ｃ ｋ ｌ ｙ ． Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｐ ｏ ｔ ｅ ｎ ｔ ｉ ａ ｌ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｃ ｏ ｒ ｅ ｗｉ ｎ ｄ ｏ ｗ ｆ ｏ ｕ ｉ ｒ ｅ ｒ ｏ ｆ ｗｉ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ａ ｒ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ ，ｔ ｈ ｅ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍａ ｌ ｗｉ ｒ ｅ ｄ ｉ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ａ ｎ ｄ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍｕ ｍ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｒ ｅ ｄ ｅ ｒ ｉ ｖ ｅ ｄ ，ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｗ ｉ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ｌ ｏ ｓ ｓ ｍｉ ｎ ｉ ｍｕ ｍ
电力电子技术-功率变换器中的磁性元件设计
1
第十三章 功率变换器中的磁性元件设计
开关变换器中常用的磁性元件: 变压器： 功率变压器（高/中/低频），驱动变压器，采样变压器， 电流互感器等
电感: 直流滤波电感，交流滤波电感，谐振电感，抑制电磁干扰 电感(共模/差模)等
磁性元件在功率变换器中占较大比重， 其设计好坏对变换器性能影响较大
工作特点及铁心材料: p291
1．交变磁化分量较小，一般情况ΔB <<Bm-Br，局部 磁滞回线所包围的面积较小，故损耗较小 2．由于含有较大的直流分量，线图电流最大值Im较大， 相应产生激磁磁场H较大，要使铁心不饱和，铁心必须 加适当气隙或采用宽恒导磁合金铁心 3. 希望磁心储能大，即希望Bm大，Bs大
3．用于变压器的铁心，为减小激磁电流，应选择磁导率高的 材料。
应选择高Bs、高磁导率及低损耗的材料
14
第二节 铁心的工作状态
二、第二类工作状态
单向矩形脉冲电压、有直流磁化分量 例：单端正激、反激变换器中的变压器
Ton
Uidt UiTon BSc N
△B=Bm-Br 激磁电流只有单方向
希望：Bs高 Br低，低损耗， 高磁导率
10
第二节 铁心的工作状态
三类： 1---双向磁化：
变压器，交流滤波电感 2---单向磁化，Hmin＝0
单端变换器电路中的脉冲变压器 3—单向磁化,局部
直流滤波电感
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第二节 铁心的工作状态
第一类工作状态： 铁芯双向磁化、无直流偏磁
多晶体管电路—推挽，半桥，全桥变 换器中的主变压器
铁心利用率高，△B=2Bm 变压器可传递不同形状的电压波形： u=NdΦ/dt= NScdB/dt
磁性元件的设计
2、第Ⅰ类工作状态
铁芯线圈的外加纯交流励磁电压u，励磁电流双向流 动。
uNd NAdB
dt
dt
udt NAdB
• t:(0udtNA dB
0
B(0)
S NAB
S+为电压u在(0-T/2)区间内的积分，也即：u波形与横 轴（0-T/2）包围区域的面积，其单位（伏秒）。
7、铁芯损耗
N匝
i
• 磁滞损耗
i 2Isint
l
i Hl
N
u NA dB dt
B Bm
Br
A1
0
H
-Br
Q h0T 2uidt B B rrNAd dB tH N ldt B B rr AlHdBV B B rrHdB V( B B m rHdBB B m rHdB)V( B B m rHdBB B rmHdB)V(A1A2)
适用于电力变压器和交 流电感。
• 损耗与含硅量、厚度和 工作频率有关。工作频 率高，则选高硅薄带。
50Hz-0.35mm
400Hz-0.2mm
1kHz-0.1mm
2、软磁铁氧体
• 陶瓷磁性材料，呈暗灰色或者黑色，质地非常坚 硬、脆而易碎。分为锰锌铁氧体或镍锌铁氧体。
• 电阻率是硅钢片的百万倍，涡流损耗极小，工作 频率可达几kHz~几千kHz，适用于小功率、高频 功率变压器、谐振电感和直流滤波电感。
l0
l0r0r0
1rr0
l0
添加气隙后，等效磁导率 下降，导致B=f(H)的斜率 变小。
B B1
H1
H2
H
磁路中任意一点的磁密都相等。当磁通密度达到该
铁芯材料的Bs时，铁芯就会饱和，与是否有气隙无 关。因此，无论气隙多大，铁芯磁饱和时的磁密不
高频开关电源主要磁性元件的设计
高频开关电源主要磁性元件的设计作者：刘明轩来源：《电子世界》2013年第17期【摘要】本文重点研究高频开关电源的磁性元件的设计，在高频开关电源设计过程中需要解决的一个关键问题，就是热的问题；而热主要来源是磁性元件，如何解决磁性元件的损耗及发热问题，减小磁性元件的尺寸也成为该课题的一个关键问题。
所以磁性元器件的设计自然成为整个设计关节中相当重要的一环。
【关键词】变压器；电抗器；磁芯1.概述在电力系统中的直流系统，由于普遍采用高频模块，而对于高频模块的设计也是功率越来越大，而体积却是越来越小，这就对其设计提出了一个关键的问题，那就是如何解决磁性元件的损耗及发热问题。
高频开关电源中大量使用各种各样的磁性元件，如输入/输出共模电感，功率变压器，饱和电感以及各种差模电感。
各种磁性元器件对磁性材料的要求各不相同，如差模电感希望μ值适中，但线性度好，不易饱和；共模电感则希望μ值要高，频带宽，功率变压器则希望μ值要适中，温度稳定好，剩磁小，损耗低等。
在非晶材料出现以前，共模电感主要采用高μ值（6K～10K）Mn-Zn合金，差模电感多采用铁粉芯或开气隙铁氧体材料，变压器则采用铁氧体材料等。
这些材料应用技术成熟，种类也很丰富，并有各种各样的产品形状供选择。
随着非晶材料的出现和技术不断成熟，在开关电源设计中，非晶材料表现出许多其它材料无法比拟的优点。
几种常用磁性材料基本性能比较如表1。
2.主变压器的设计对于高频开关电源的主要发热元件，主变压器的设计尤其重要，其尺寸的大小和材料的选择更是重要。
2.1 主变压器的磁芯必须具备的几个特点①低损耗②高的饱和磁感应强度且温度系数小③宽工作温度范围④μ值随B值变化小⑤与所选用功率器件开关速度相应的频响早前高频变压器一般选用铁氧体磁芯，下面对VITROPERM500F铁基超微晶磁芯与德国西门子公司生产的N67系列铁氧体磁芯的性能进行较：从以上图表可以看出两者有以下区别：（1）相同工作频率（200KHZ以下），非晶材料损耗明显低于铁氧体，工作频率越低，工作B值越高，非晶材料优势越明显。
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磁性材料
4) 磁性材料的分类
磁性材料按照磁化后去磁的难易程度，可分为: 硬磁性材料
硬磁材料是指那些经过饱和磁化后，即使去掉外部磁化磁场，材料中 的剩磁仍能长时间地保持磁化状态，并在周围空间产生长久不变的磁场 。
铁粉磁芯
碳基铁粉芯(C-Fe)
铁铝硅粉芯(Al-Si-Fe) 钼坡莫合金铁粉芯(Mo-Ni-Fe)
300MHz以下
1MHz以下 300kHz以下 1MHz以下
铁氧体磁芯
锰锌铁氧体(Mn-Zn-Fe)
镍锌铁氧体(Ni-Zn-Fe)
镁锌铁氧体(Mg-Zn-Fe)
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1MHz~200MHz
磁性材料
4) 磁性材料的分类
软磁性材料
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磁性材料
4) 磁性材料的分类
软磁性材料
锰锌铁氧体材料主要分为： 高频低功耗铁氧体（又称 功率铁氧体）； 高磁导率即高 μi 铁氧体。
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25MHz以下
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磁性材料
4) 磁性材料的分类
TOROIDAL Magnetics
软磁性材料
TOROID
SOLID CENTER POST
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RM CORE
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r
剩余磁感应强度
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Br * me m0 H c
lc
m0 H c
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磁性材料
3) 电路中磁芯三种工作状态
第一类：双向磁化 第二类：单向磁化 第三类：单向磁化 变压器、交流滤波电感 单端变换器中的脉冲变压器 直流滤波电感
在200~300kHz，磁芯损耗可以表示为： 涡流损耗(Pe)
P f B T m V
损耗系数，V 磁芯体积
磁芯的电阻率大，涡流损耗小。
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， 分别为大于1的频率和磁感应损耗系数
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m r m0
m0
m r m0
lc mr H lc mr
m H lc 1 r lc
等效磁导率
mr 1 m 1 lc me 1 mr 1 m l l r c c
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磁性材料
4) 磁性材料的分类
软磁性材料
铁、钴、镍三种铁磁性元素是构成磁性材料的基本单元。 1. 合金类：硅钢片，坡莫合金，非晶态和微晶态材料;
2. 粉芯类：磁粉心，包括：铁粉芯、铁硅铝粉芯(Kool Mm)、高磁通量粉芯(High Flux)、坡莫合金粉芯(MPP);
磁性材料
4) 磁性材料的分类
软磁材料应用的几个注意点
在低频(比如50Hz)应用中，一般铁氧体比不上性能优良的硅钢片。若在低频 时采用铁氧体磁芯，变压器的体积就非常大，因此在低频时，特别是工频时都采 用硅钢磁芯。在高频(比如20kHz)时叠层式硅钢片的涡流和磁滞损耗很大，铁氧 体则由于其高电阻率磁芯的损耗很低，因此在高频时通常用铁氧体磁芯。 近年来非晶态软磁材料和微晶软磁材料发展很快，由于它们的性能优良，加 工成形容易而受到人们的青睐。目前在十几KHz至几十KHz的中、大功率电力电 子装置中应用较广。在上百KHz领域及十KHz的小功率领域仍以铁氧体磁芯材料 为主。 负载电流较大时，磁芯的选择一般不直接选用高磁导率材料，通常选用磁导 率较低的材料，在选滤波扼流圈磁芯时更是如此。这是因为磁导率较低可以去掉 较大的有效空气隙。 磁性材料在应用中必须注意其居里点温度。一些铁氧体的居里点温度可以低 到130℃左右。解决的办法是在居里点和工作温度之间留有一个安全间隔.
F B IL
2) 磁导率m 是表征磁场中铁芯磁性能的物理量，可用来衡量
磁介质导磁能力。
3) 磁场强度H 某点磁感应强度B与磁导率μ的比值： H B / m 4) 磁通f 穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总和，即
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f BS
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磁芯损耗：
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磁材品质 工作频率 温度 磁通密度 直流偏置 磁滞曲线形状
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磁性材料
6) 磁性材料的选择
应用 变压器 低频：高Bs 高频：低Bs 高m 低Hc或低Br 低损耗 低损耗 低损耗 输出滤波电感 高Bs 宽恒定的m 高m 共模电感
基本参数
1) 磁感应强度B；
2) 磁导率m；
3) 磁场强度H；
4) 磁通f；
5) 温度系数；
6) 居里温度；
7) 电感因数AL；
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基本参数
1) 磁感应强度B
表征磁场中某一点的磁性强弱和 方向的矢量(右手定则 )
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磁性材料
1) 磁滞回线(B-H曲线)
磁感应强度随外加磁 场强度的变化曲线 磁饱和特性 B达到Bs时，增大H，B不再增大。 磁化的不可逆性
磁化曲线与退磁曲线不重合特性。
磁滞现象 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。
Bs:饱和磁感应强度Saturation Flux Density ；
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磁性材料
4) 磁性材料的分类
大分类 主分类
软磁性材料
频率
合金磁芯
硅钢片(Si-Fe)
坡莫合金(Ni-Fe) 钴铁合金(Co-Fe) 非晶或超微晶合金(Fe \ Co)
400Hz以下
400Hz~8KHz 10kHz以下 50kHz~100kHz
基本参数
2) 磁导率m
绝对磁导率 相对磁导率 等效磁导率
m B/H
mr m / m0
真空磁导率
m0 4 107 H / m
带有气隙的磁芯或者非均匀横截面的磁芯中， 各段磁路中和气隙中的m值不同。通常用均匀的 环形磁芯的磁导率等效。
在闭合磁路中（漏磁可忽略），有效磁导率me为:
L l 7 me 10 4N 2 Ae
S型回线 高导磁率软磁材料
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矩形回线 坡莫合金软磁材料
扁平回线 宽恒导磁合金材料
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磁性材料
2) 加气隙后磁滞回线的变化
I N H lc H B B lc B
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第六章磁性元器件设计
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开关变换器建模、控制和设计
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电感和变压器
L NP NS
电感器 (Inductor) 电感量 L
变压器 (Transformer)
原副边匝数 比NP / NS
是否算出电感的L和变压器的NP / NS就可以了？
硬磁材料具有强大矫顽力和宽大的磁滞特性曲线。
软磁性材料
软磁材料是指那些插入通电绕组中，材料被磁化，使绕组周围的磁 场大大加强，而一旦去掉外部磁化电流，材料本身的磁性就非常小。
软磁材料具有小的矫顽力(coercive force)和高的初始磁 导率(initial permeability)，剩磁弱。
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目录
第六章 磁性元器件设计
6.1 基本知识
6.2 高频变压器设计 6.3 电感设计
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目录
第六章 磁性元器件设计
增量磁导率
表示该点附近磁感应强度 随磁场强度变化的情况。
m
B H
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基本参数
5) 温度系数
温度在T1～T2范围内变化时，温度每变化一度相应磁导率 的相对变化量，即： m2 m1 1 μ1、μ2分别是温度为 au (T2 T1 ) T1、T2时的磁导率。 m1 T2 T1 铁磁物质的磁化强度随温度过度升高将会下降，当达到某一 临界温度时，自发磁化（即磁畴）便消失，这一临界温度称 居里温度。 确定了磁性器件工作的上限温度。
6) 居里温度
7) 电感因数AL
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具有一定形状和尺寸的磁芯上每匝线圈产生的自感量 2 ，称为自感系数，即：