磁性元件设计概述(中)
开关电源中磁性元器件概要
开关电源中磁性元器件几乎所有电源电路中，都离不开磁性元器件 电感器或变压器。
例如在输入和输出端采用电感滤除开关波形的谐波；在谐振变换器中用电感与电容产生谐振以获得正弦波电压和电流；在缓冲电路中，用电感限制功率器件电流变化率；在升压式变换器中，储能和传输能量；有时还用电感限制电路的瞬态电流等。
而变压器用来将两个系统之间电气隔离，电压或阻抗变换，或产生相位移(3 相 Δ—Y 变换)，存储和传输能量(反激变压器)，以及电压和电流检测(电压和电流互感器)。
可以说磁性元件是电力电子技术最重要的组成部分之一。
磁性元器件—电感器和变压器与其他电气元件不同，使用者很难采购到符合自己要求的电感和变压器。
对于工业产品，应当有一个在规定范围内通用的规范化的参数，这对磁性元件来说是非常困难的。
而表征磁性元件的大多数参数(电感量，电压，电流，处理能量，频率，匝比，漏感，损耗)对制造商是无所适从的。
相反，具体设计一个磁性元件在满足电气性能条件下，可综合考虑成本，体积，重量和制造的困难程度，在一定的条件下可获得较满意的结果。
由于很难从市场上购得标准的磁性元器件，开关电源设计工作的大部分就是磁性元件的设计。
有经验的开关电源设计者深知，开关电源设计的成败在很大程度上取决于磁性元件的正确设计和制作。
高频变压器和电感固有的寄生参数，引起电路中各色各样的问题，例如高损耗、必须用缓冲或箝位电路处理的高电压尖峰、多路输出之间交叉调节性能差、输出或输入噪声耦合和占空度范围限制等等，对初步进入开关电源领域的工程师往往感到手足无措。
磁性元件的分析和设计比电路设计复杂得多，要直接得到唯一的答案是困难的。
因为要涉及到许多因素，因此设计结果绝不是唯一合理的。
例如，不允许超过某一定体积，有几个用不同材料的设计可以满足要求，但如果进一步要求成本最低，则限制了设计的选择范围。
因此最优问题是多目标的，相对的。
或许是最小的体积，最低成本，或是最高效率等等。
最终的解决方案与主观因素、设计者经验和市场供应情况有关。
正激变换器磁性元件的设计
正激变换器磁性元件的设计第一部分：磁性元件的类型和基本原理变压器的基本原理是利用电磁感应的原理，在一个绕组中通过交流电产生的磁场感应到另一个绕组中，并将电能从输入端传递到输出端。
变压器的主要参数有变比、额定功率和损耗。
电感器也利用电磁感应的原理，但与变压器不同的是，电感器主要是利用自感效应而产生电能储存，并在需要时释放。
电感器的主要参数有电感值、电流能力和频率响应。
第二部分：正激变换器磁性元件的设计要求1.功率密度：功率密度指单位体积或单位重量的磁性元件所能承受的功率。
提高功率密度可以减小变压器和电感器的体积，同时保持其高效率和稳定性。
2.体积：正激变换器通常需要较小的体积，尤其在一些应用中，如手机充电器、电动汽车充电器等。
因此，设计磁性元件时需要追求尽可能小的体积。
3.效率：正激变换器的效率对于节能和降低损耗至关重要。
磁性元件的设计应该追求高效率，减小能量损耗，提高能量利用率。
4.成本：磁性元件的设计还要考虑成本因素。
在设计过程中，要找到平衡点，以确保磁性元件的性能符合要求，但同时又不引起过高的成本。
第三部分：磁性元件的具体设计步骤1.确定输入和输出电压/电流：根据具体应用需求，确定输入和输出的电压/电流。
2.计算变比或电感值：根据输入和输出的电压/电流，计算变比或电感值。
变比的计算可以根据功率守恒定律，通过功率关系计算得到；电感值的计算可以通过所需的电流和频率计算得到。
3.选择磁性材料：根据变比或电感值，选择合适的磁性材料。
常用的磁性材料有铁氧体、铁氧体软磁材料、铁氧体硬磁材料等。
选择合适的磁性材料可以提高变压器或电感器的性能。
4.计算磁路参数：根据选择的磁性材料，计算磁路参数。
磁路参数包括磁路长度、磁导率和横截面积等。
5.计算绕组匝数和线径：根据输入和输出的电压/电流、变比或电感值，计算变压器或电感器绕组的匝数和线径。
绕组的匝数和线径的选择直接影响磁性元件的性能和效率。
6.验算和优化：根据设计结果，进行验算和优化。
磁性元件设计
TOROID
2014/12/31
SOLID CENTER POST
RM CORE
பைடு நூலகம்
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开关变换器建模、控制和设计 磁性材料
BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY
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。
BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY
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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
BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY
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。
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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
磁元件设计
第五章 磁元件设计一般电源工程师宁愿花很多时间进行电路设计，而不愿意设计一个磁元件。
设计磁元件要决定许多事情：磁芯材料，磁芯形状，导线类型等等。
而设计好的磁元件的参数对电路性能有怎样的影响，总不像电路设计那样心里有数。
当设计完成以后，还要在实验室检测性能。
即使性能获得通过，然后你还得确定设计的产品成本是否合理。
一般工程师对磁的有关问题感到困惑，为此，这一章将介绍磁的基础知识，并给你很多的磁元件设计的实际信息。
在磁元件设计和电路试验时，具有很强的物理概念是十分重要的。
本章在介绍材料之后，其余部分逐步介绍做好磁的设计，包括你的设计如何制造出来。
在文献中已详细介绍了磁元件设计。
这里只说明如何做好、怎么做、和具体磁设计的关键工程问题。
5.1 两个基本定律让我们从两个基本定律开始，所有的磁问题都服从这两个个基本定律：安培定律和电磁感应定律。
1．安培定律I 图5-1 安培定律 安培定律也称为安培环路定律或全电流定律。
参考图5-1,一个磁性均匀的环，在环的圆周上均匀绕N 匝线圈，平均圆周长为l ,线圈通过电流为I ，根据全电流定律，其磁场和电流关系为 （5-1） Hl IN =则在国际单位制（MKS ）中磁场强度 lIN H =r （A/m ） （5-2a ） 在实用单位制（CGS ）中磁场强度lIN H π4.0=r (Oe) （5-2b ） 在使用单位制(CGS )时，磁场强度为奥斯特（Oe ）,它与MKS 制关系为1(Oe)=π4.0102（A/m ） 从式（5-1）可见，电流增加磁场增加。
2. 电磁感应定律第二个定律是电磁感应定律。
它实际上包含两个定律：法拉第定律和楞次定律。
U A －面积 B －磁感应强度图5-2 变化的磁场产生感应电势 图5-2中一个N 匝线圈，包围面积A 。
如果包围的面积A 中的磁通（不管是自身线圈电流磁场，还是外加磁场）发生变化，那么在线圈的两端将产生一个电势，这个电势大小与线圈包围磁通链变化率的关系为 e dtBAN d dt d −==)(ψ 或dtdB NA U = (5-3) U －线圈端电压，dt d /ψ表示磁链的变化率。
电力电子电路常用磁芯元件的设计
电力电子电路常用磁芯元件的设计一、常用磁性材料的基本知识磁性元件可以说是电力电子电路中关键的元件之一，它对电力电子装置的体积、效率等有重要影响，因此，磁性元件的设计也是电力电子电路系统设计的重要环节。
磁性材料有很多种类，特性各异，不同的应用场合有不同的选择，以下是几种常用的磁性材料。
1．低碳钢低碳钢是一种最常见的磁性材料，这种材料电阻率很低，因此涡流损耗较大，实际应用时常制成硅钢片。
硅钢片是一种合金材料（通常由97%的铁和3%的硅组成），它具有很高的磁导率，并且每一薄片之间相互绝缘，使得材料的涡流损耗显著减小。
磁芯损耗取决于材料的厚度与硅含量，硅含量越高、电阻率越大。
这种材料大多应用于低频场合，工频磁性元件常用这种材料。
2．铁氧体随着工作频率的提高，对磁芯损耗的要求更高，硅钢片由于制造工艺的限制，已经很难满足这种要求，铁氧体就是在这种形势下出现的。
铁氧体是一种暗灰色或者黑色的陶瓷材料。
铁氧体的化合物是MeFe2O4，这里Me代表一种或几种二价的金属元素，例如，锰、锌、镍、钴、铜、铁或镁。
这些化合物在特定的温度范围内表现出良好的磁性能，但是如果超出某个温度值，磁性将失去，这个温度称为居里温度（T c）。
铁氧体材料非常容易磁化，并且具有相当高的电阻率。
这些材料不需要像硅钢片那样分层隔离就能用在高频的应用场合。
高频铁氧体磁性材料主要可分为两大类：锰锌（MnZn）铁氧体材料和镍锌（NiZn）铁氧体材料。
比较而言，NiZn材料的电阻率较高，一般认为在高频应用场合下具有较低的涡流损耗。
但是最近的研究表明，如果颗粒的尺寸足够小而且均匀，在几兆赫兹范围内MnZn材料显示出较NiZn材料更为优越的特性，例如，TDK公司的H7F材料以及MAGNETICS公司的K材料就是采用这种技术，适用于兆赫兹工作频率下工作的新型铁氧体材料。
3．粉芯材料粉芯材料是将一些合金原料研磨成精细的粉末状颗粒，然后在这些颗粒的表面覆盖上一层绝缘物质（它用来控制气隙的尺寸，并且降低涡流损耗），最后这些粉末在高压下形成各种磁芯形状。
第四讲：磁性元件的设计
铁氧体铁芯在通信电源和开关电源中应用十分广泛， 其结构形式多种多样，需要根据应用场合进行相应的 选择。
没有气隙，散磁少但容易饱和； 结构简单，不需要骨架，适合自己绕制； 窗口宽，散热条件好！ 矩形截面，不适合粗导线绕线！ 线圈均匀绕在铁芯上，最适合做电感！
4、第Ⅲ类工作状态
• 励磁电流单方向流动。 • 励磁电流的交流分量很小， 铁耗很小，主要是铜耗。 • 励磁电流的直流分量很大， 为了避免铁芯饱和，需要添 加气隙。
B B1
B
Bs Br
H1
H2
H
四、常用的铁芯材料
1、冷压硅钢带 • Bs很大，约为0.6~1.9T
• 工作频率不高于1kHz， 适用于电力变压器和交 流电感。
B Bm
A1
N匝
Br 0
H
i
Hl i N
t0 Bm 0 Br
d dB UN NA dt dt
QM Uidt
Bm Bm dB Hl NA dt AlHdB V HdB VA1 Br Br dt N
若为线性磁路，则可视为线性电感。
1 1 1 1 2 2 1 2 2 QM AV HBm Al NIm ( NI ) m I N m LI 1 2 2 2 2 2
4、铁镍软磁合金（坡莫合金）
相对磁导率极高，一般在20000以上； 极低的矫顽力，磁滞回线很窄，磁滞损耗很小； 矩形比Br/Bm很高，适合做变压器； 温度稳定好，但是价格较高； 电阻率非常低，涡流损耗大，适合几kHz的场 合；为了减小涡流损耗，一般碾压成带料。 超级坡莫合金IJ851可以工作于100kHz，其铁耗 小于铁氧体。
电力电子电路常用磁芯元件的设计
电力电子电路常用磁芯元件的设计一、常用磁性材料的基本知识磁性元件可以说是电力电子电路中关键的元件之一，它对电力电子装置的体积、效率等有重要影响，因此，磁性元件的设计也是电力电子电路系统设计的重要环节。
磁性材料有很多种类，特性各异，不同的应用场合有不同的选择，以下是几种常用的磁性材料。
1．低碳钢低碳钢是一种最常见的磁性材料，这种材料电阻率很低，因此涡流损耗较大，实际应用时常制成硅钢片。
硅钢片是一种合金材料（通常由97%的铁和3%的硅组成），它具有很高的磁导率，并且每一薄片之间相互绝缘，使得材料的涡流损耗显著减小。
磁芯损耗取决于材料的厚度与硅含量，硅含量越高、电阻率越大。
这种材料大多应用于低频场合，工频磁性元件常用这种材料。
2．铁氧体随着工作频率的提高，对磁芯损耗的要求更高，硅钢片由于制造工艺的限制，已经很难满足这种要求，铁氧体就是在这种形势下出现的。
铁氧体是一种暗灰色或者黑色的陶瓷材料。
铁氧体的化合物是MeFe2O4，这里Me代表一种或几种二价的金属元素，例如，锰、锌、镍、钴、铜、铁或镁。
这些化合物在特定的温度范围内表现出良好的磁性能，但是如果超出某个温度值，磁性将失去，这个温度称为居里温度（T c）。
铁氧体材料非常容易磁化，并且具有相当高的电阻率。
这些材料不需要像硅钢片那样分层隔离就能用在高频的应用场合。
高频铁氧体磁性材料主要可分为两大类：锰锌（MnZn）铁氧体材料和镍锌（NiZn）铁氧体材料。
比较而言，NiZn材料的电阻率较高，一般认为在高频应用场合下具有较低的涡流损耗。
但是最近的研究表明，如果颗粒的尺寸足够小而且均匀，在几兆赫兹范围内MnZn材料显示出较NiZn材料更为优越的特性，例如，TDK公司的H7F材料以及MAGNETICS公司的K材料就是采用这种技术，适用于兆赫兹工作频率下工作的新型铁氧体材料。
3．粉芯材料粉芯材料是将一些合金原料研磨成精细的粉末状颗粒，然后在这些颗粒的表面覆盖上一层绝缘物质（它用来控制气隙的尺寸，并且降低涡流损耗），最后这些粉末在高压下形成各种磁芯形状。
《磁元件知识简介》课件
新型磁材料的探索涉及到多个领域的知识，如化学、材料科学、物理学等。需要综合运用这 些领域的技术手段，通过不断优化材料配方、改进制备工艺等方式，来提高磁材料的性能指 标。
铸造法是一种传统的磁元件制造 方法，通过将铁磁性金属熔化后 倒入模具中，冷却后形成磁芯。
铸造法制备的磁芯具有较高的机 械强度和热稳定性，适用于高温
和恶劣环境下的应用。
铸造法的缺点在于难以制造出高 磁导率、低损耗的磁芯，且形状
和尺寸受到模具限制。
粘结法
粘结法是一种简便的磁元件制造方法，通过将铁磁性颗粒与粘结剂混合 ，制成磁泥或磁膏，然后将其涂抹在非磁性材料上，干燥后形成磁芯。
01
02
03
变压器
利用磁场实现电压和电流 变换的磁元件。
电感器
利用磁场存储能量的磁元 件，通常用于滤波、储能 等。
电机
利用磁场和电流实现机械 能与电能相互转换的磁元 件。
磁元件的应用领域
电力电子
通信
工业自动化
消费电子
用于高压直流输电、无 功补偿等。
用于信号传输、电磁屏 蔽等。
用于电机控制、传感器 等。
《磁元件知识简介》ppt课件
目录
• 磁元件概述 • 磁元件的工作原理 • 磁元件的材料 • 磁元件的制造工艺 • 磁元件的性能参数 • 磁元件的发展趋势与展望
01
磁元件概述
磁元件的定义
磁元件
指利用磁场进行能量转换或传递 的电子元件。
磁性材料
指具有显著磁特性的物质，通常 用于制造磁元件。
磁元件的种类
第三章开关电源中磁性器件设计
§3.1 磁性器件设计基础 一 磁性能参数
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
F B IL
* 方向：右手定则 * 单位：特斯拉（ T）、 高斯（GS），1 GS =10-4 T
2 磁场强度 H
* 单位：安培/米 （ A/m）、奥斯特 （ Oe） * 1 Oe =103/4π（ A/m）
（1）什么是非晶合金和微晶合金 非晶合金是将金属合金加热后由气态或液态从超薄间隙快 速喷出，快速冷却（每秒几万度）所形成的非晶体状态微米级超 薄金属带。 微晶合金则是对铁基非晶合金经过处理而形成的更薄的金属 带。 （2）非晶合金的分类 * 铁基非晶合金： ① 主要元素是铁、硅、硼、碳、磷等； ② 特点是磁性强（饱和磁感应强度可达1.4-1.7T）、软 磁性能优于硅钢片； ③ 价格便宜，最适合替代硅钢片，作为于中低频变压 器的铁芯（一般在10千赫兹以下）； ④ 例如配电变压器、中频变压器、大功率电感、电抗器 等。
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
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》。
* 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； * 矫顽力小，为硅钢片的几十分之一，铁芯损耗小；
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
11
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
DCDC变换器中磁性元件的设计
目录摘要 (1)ABSTRACT (1)1 绪纶 (1)1.1变压器设计概述 (1)1.2电感设计概述 (3)1.3磁集成技术简介 (4)1.4本文选题意义和研究的内容 (4)2 DC/DC变换器磁性元件设计理论及其设计方法 (5)2.1磁性元件损耗、漏磁、散磁分析及其设计原理 (5)2.2DC/DC变换器磁芯工作状态 (7)2.3各类DC/DC变换器中磁性元件设计方法 (8)2.4磁性元件结构和工艺设计 (12)3磁集成技术 (13)3.1集成磁件的分析方法 (13)3.2集成磁件具体应用——磁件的集成 (15)3.3磁集成方式 (16)4 ZVS-ZCS三电平DC/DC变换器中磁性元件设计 (17)4.1ZVS-ZCS TL工作原理和磁件参数计算 (18)4.2磁性元件设计 (19)4.3实验验证 (23)5 结语 (24)致谢...................................................... 错误!未定义书签。
参考文献 (25)DC/DC变换器中磁性元件的设计摘要：磁性元件是DC/DC变换器中的关键部分，它决定了变换器体积效率等多方面性能。
本文结合几种典型的DC/DC变换器归纳了磁性元件分析与设计的方法，得出了磁性元件设计原理；对DC/DC变换器（正激式、反激式、半桥全桥以及推换式）按磁芯工作状态分类，分别介绍了各类磁性性元件设计过程；并对磁件结构和工艺进行了研究;而后分析了集成磁件分析与建模方法，以及磁件集成的推导过程。
最后结合ZVS-ZCS三电平DC/DC变换器对磁性元件进行了设计，介绍了具体设计过程以及三电平变换器。
关键词：磁性元件、DC/DC变换器、磁集成技术、三电平、倍流整流。
Abstract: Magnetic element is one of main parts in DC/DC converter, which determines several kinds of performance of converters such as volume and efficiency. This paper summarizes the means ofdesigning and analyzing magnetic components and obtains the designing principle .According todifferent functional modes of magnetic core of DC/DC converters (Forword, Flyback,Halfbridge,Full-bridge and Push-pull converter ) ,various designing process are presented respectively .Then it analyzes the structure of magnetic components and crafts. The methods of modeling anddeducing of integrated magnetic elements are also presented. In addition, it designs the magneticcomponents and introduces TL converter combining ZVS-ZCS TL DC/DC.Keywords: Magnetic, DC-to-DC converter ,Magnetic integration, Three level converter ,Current double rectify1 绪纶磁性元件是开关电源中重要的组成部分，它是能量储存与转换、电气隔离与滤波的主要器件。
磁性器件
三、涡流损耗－可通过提高材料电阻率ρ及减小片 状材料厚度d来降低。
四、剩余损耗－可通过①减小扩散离子浓度，抑制 离子扩散的产生来降低，对于铁氧体材料而言， 则是尽量减小铁氧体中Fe2＋ 含量或生成；②在 工艺和成分配制上进行控制，使铁氧体在应用频 率和工作温度范围内避开损耗最大值。
d
0HdA
0
NI l
dA
所以，通过截面为A的总磁通量为：
0NI
dA
l
根据彼德生关系
可得
a10 a11H
0NI[a10
dA l
a11NI
dl A2 ]
而相应的理想磁芯的磁通量为：
'
0NI
Ae le
0 NI[a10
Ae le
a11NI
Ae le2
]
要使实际磁环和理想磁环等效，两者的磁通应该相等，
NI H.dl dl
l
0 l A
0 NI 0 NI
l
dl
A
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Ag Ae
L N I
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0N 2 le lg
Ag Ae
而 故有
L 0e N 2 Ae
le
e
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Ae
lg le lg
Ag
Ae
可见，磁芯开气隙以后，磁导率变为有效磁导率， 有效磁导率不仅与材料的起始磁导率有关，还与 缝隙的大小有很大的关系。
一些电磁参数的相互转化：
对于一绕组匝数为N，有效长度为le ，有效截面为 Ae 的环形磁芯，有以下公式满足：
NI Hle
BAe
电感L
N
I
N 0 HAe
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开关电源中高频磁性元件设计常见
错误概念辨析
开关电源中高频磁性元件设计常见错误概念辨析
作者:吴云飞海南大学96届本科生现任赛尔康技术(深圳)有限公司电源开发工程师
很多电源工程师对开关电源中高频磁性元件的设计存在错误的概念，其设计出来的高频磁性元件不能满足应用场合的要求，影响了研发的进度和项目的按期完成。
基于开关电源及高频磁性元件设计经验，对一些概念性错误进行了辨析，希望能给大家提供借鉴，顺利完成高频磁性元件的设计以及整个项目的研制。
关键词：开关电源；高频磁性元件；错误概念
1 引言
开关电源中高频磁性元件的设计对于电路的正常工作和各项性能指标的实现非常关键。
加之高频磁性元件设计包括很多细节知识点，而这些细节内容很难被一本或几本所谓的“设计大全”一一罗列清楚[1－3]。
为了优化设计高频磁性元件，必须根据应用场合，综合考虑多个设计变量，反复计算调整。
正由于此，高频磁性元件设计一直是令初涉电源领域的设计人员头疼的难题，乃至是困扰有多年工作经验的电源工程师的问题。
很多文献及相关技术资料给出的磁性元件设计方法或公式往往直接忽略了某些设计变量的影响，作了假设简化后得出一套公式；或者并未交代清楚公式的应用条件，甚至有些文献所传达的信息本身就不正确。
很多电源设计者并没有意识到这一点，直接套用设计手册中的公式，或把设计手册中某些话断章取义，尊为“设计纲领”，而没有进行透彻的分析和思考，以及实验的验证。
其结果往往是设计出来的高频磁性元件不能满足应用场合的要求，影响了研发的进度和项目的按期完成。
为了使电源设计者在设计过程中，避免犯同样的错误，为此，我们针对在学习和研发中遇到的一些概念性的问题进行了总结，希望能给大家提供一个借鉴。
2 一些错误概念的辨析这里以小标题形式给出开关电源高频磁性元件设计中8种常见的错误概念，并加以详细的辨析。
1）填满磁芯窗口——优化的设计很多电源设计人员认为在高频磁性元件设计中，填满磁芯窗口可以获得最优设计，其实不然。
在多例高频变压器和电感的设计中，我们可以发现多增加一层或几层绕组，或采用更大线径的漆包线，不但不能获得优化的效果，反而会因为绕线中的邻近效应而增大绕组总损耗。
因此在高频磁性元件设计中，即使绕线没把铁芯窗口绕满，只绕满了窗口面积的25％，也没有关系。
不必非得想法设法填满整个窗口面积。
这种错误概念主要是受工频磁性元件设计的影响。
在工频变压器设计中，强调铁芯和绕组的整体性，因而不希望铁芯与绕组中间有间隙，一般都设计成绕组填满整个窗口，从而保证其机械稳定性。
但高频磁性元件设计并没有这个要求。
2）“铁损=铜损”——优化的变压器设计很多电源设计者，甚至在很多磁性元件设计参考书中都把“铁损=铜损”列为高频变压器优化设计的标准之一，其实不然。
在高频变压器的设计中，铁损和铜损可以相差较大，有时两者差别甚至可以达到一个数量级之大，但这并不代表该高频变压器设计不好[4]。
这种错误概念也是受工频变压器设计的影响。
工频变压器往往因为绕组匝数较多，所占面积较大，因而从热稳定、热均匀角度出发，得出“铁损=铜损”这一经验设计规则。
但对于高频变压器，采用非常细的漆包线作为绕组，这一经验法则并不成立。
在开关电源高频变压器设计中，确定优化设计有很多因素，而“铁损=铜损”其实是最少受关注的一个方面。
3）漏感=1％的磁化电感很多电源设计者在设计好磁性元件后，把相关的技术要求提交给变压器制作厂家时，往往要对漏感大小要求进行说明。
在很多技术单上，标注着“漏感=1％的磁化电感”或“漏感<2％的磁化电感”等类似的技术要求。
其实这种写法或设计标准很不专业。
电源设计者应当根据电路正常工作要求,对所能接受的漏感值作一个数值限制。
在制作变压器的过程中，应在不使变压器的其它参数（如匝间
电容等）变差的情况下尽可能地减小漏感值，而非给出漏感与磁化电感的比例关系作为技术要求。
因为漏感与磁化电感的关系随变压器有无气隙变化很大。
无气隙时，漏感可能小于磁化电感的0.1％,而在有气隙时，即使变压器绕组耦合得很紧密，漏感与磁化电感的比例关系却可能达到10％[5]。
因此，不要把漏感与磁化电感的比例关系作为变压器设计指标提供给磁性元件生产商。
否则，这将表明你不理解漏感知识或并不真正关心实际的漏感值。
正确的做法是规定清楚可以接受的漏感绝对数值，当然可以加上或减去一定的比例，这个比例的典型值为20％。
4）漏感与磁芯磁导率有关系有些电源设计者认为，给绕组加上磁芯，会使绕组耦合更紧密，可降低绕组间的漏感；也有些电源设计者认为，绕组加上磁芯后，磁芯会与绕组间的场相互耦合，可增加漏感量。
而事实是，在开关电源设计中，两个同轴绕组变压器的漏感与有无磁芯存在并无关系。
这一结果可能令人无法理解，这是因为，一种相对磁导率为几千的材料靠近线圈后，对漏感的影响很小。
通过几百组变压器的实测结果表明，有无磁芯存在，漏感变化值基本上不会超过10％，很多变化只有2％左右。
5）变压器绕组电流密度的优化值为2A/mm2～3.1A/mm2 很多电源设计者在设计高频磁性元件时，往往把绕组中的电流密度大小视为优化设计的标准。
其实优化设计与绕组电流密度大小并没有关系。
真正有关系的是绕组中有多少损耗，以及散热措施是否足够保证温升在允许的范围之内。
我们可以设想一下开关电源中散热措施的两种极限情况。
当散热分别采用液浸和真空时，绕线中相应的电流密度会相差较大。
在开关电源的实际研制中，我们并不关心电流密度是多大，而关心的只是线包有多热？温升是否可以接受？这种错误概念，是设计人员为了避免繁琐的反复试算，而人为所加的限制，来简化变量数，从而简化计算过程，但这一简化并未说明应用条件。
6）原边绕组损耗=副边绕组损耗”——优化的变压器设计很多电源设计者认为优化的变压器设计对应着变压器的原边绕组损耗与副边绕组损耗相等。
甚至在很多磁性元件的设计书中也把此作为一个优化设计的标准。
其实这并非什么优化设计的标准。
在某些情况下变压器的铁损和铜损可能相近。
但如果原边绕组损耗与副边绕组损耗相差较大也没有多大关系。
必须再次强调的是，对于高频磁性元件设计我们所关心的是在所使用的散热方式下，绕组有多热？原边绕组损耗=副边绕组损耗只是工频变压器设计的一种经验规则。
7）绕组直径小于穿透深度——高频损耗就会很小绕组直径小于穿透深度并不能代表就没有很大的高频损耗。
如果变压器绕组中有很多层，即使绕线采用线径比穿透深度细得多的漆包线，也可能会因为有很强的邻近效应而产生很大的高频损耗。
因此在考虑绕组损耗时，不能仅仅从漆包线的粗细来判断损耗大小，要综合考虑整个绕组结构的安排，包括绕组绕制方式、绕组层数、绕线粗细等。
8）正激式电路中变压器的开路谐振频率必须比开关频率高得多很多电源设计人员在设计和检测变压器时认为变压器的开路谐振频率必须比变换器的开关频率高得多。
其实不然，变压器的开路谐振频率与开关频率的大小并无关系。
我们可以设想一下极限情况：对于理想磁芯，其电感量无穷大，但也会有一个相对很小的匝间电容，其谐振频率近似为零，比开关频率小得多。
真正与电路有关系的是变压器的短路谐振频率。
一般情况下，变压器的短路谐振频率都应当在开关频率的两个数量级以上。
3 结语为了使电源设计者在电源设计过程中，少犯同样的错误，就我们在开关电源的研发中遇到的一些与高频磁性元件设计相关的概念性问题进行了总结，希望能起到抛砖引玉的作用。