非晶、纳米晶磁心选型设计

非晶、纳米晶磁心选型设计

Design for selecting amorphous and nanocrystalline core type

2004年07月28日10:38

1引言

本文介绍用于磁放大器、尖峰抑制器、滤波电感、有源PFC 电感等器件采用的非晶、纳米晶磁

心的选型设计。

2电压调节器中磁放大器磁心选型设计

2.1磁心选型设计

a、已知条件：输出电压V0、输出电流I0、工作频率F、占空比Dmax。

b、决定变压器的次级电压（以单端正激电路为例）

Vi≥{V0（1+KC）+VF}/Dmin （1）

Vi：变压器次级电压，KC：富裕系数或称调节余量（通常取0.2），VF：整流二极管压降，Dmin：最小占空比（发生在输入电压最大时），V0：要求的输出电压。

c、决定被砍掉的电压（被调节的电压）Vreg

Vreg= Vi×Dmax- V0= V1 - V0 （2）

式中V1=Vi×Dmax。

d、计算磁心所需的磁通量△φ

∵V0= Vi×Dmax-V砍= Vi×Dmax- Vreg

= Vi×(ton/T)-Vi×(tτ/T)

∴Vreg= Vi×tτ/T

由电磁定律知Vi×tτ=△φ

∴Vreg×T=Vi×tτ=△φ

写成△φ= Vreg/F （3）

最后得到被砍掉电压折算成磁通量的式子，即电路调节中所需磁通量为△φ。

∵磁心的单匝磁通量为2φm（有时简称φm）今设计磁通量为△φ，则总有一个N存在使：

N×φ≥△φ（4）

e、选择磁心的尺寸

（1）先选择内径

设磁心的窗口面积为Wa。其中的一部分面积是由导线的截面积充填占据。充填系数用Kf表示，也叫有用系数，Kf常取0.4。就有Wa×Kf=所绕N条导线的截面积。

已知输出电流为I0，导线的电流密度为J，则一条导线所占面积为I0/J。设绕了N匝，则

Wa×Kf=N×I0/J，写成：

Wa= N×I0/J× Kf （5）

式(4)决定了磁心的内径.因为一个确定的窗口面积Wa，必有一个确定的磁心内径与之对应。公式(5)是用电流I0等已知参数计算出了窗口面积Wa。从而选定了磁心内径。

（2）选择外径

由式（5）已知Wa= N×I0/(J× Kf)

当Kf=0.4，J=6A/mm2时，Wa=N×I0/2.4

将此式左边乘以Nφm,右边乘以△φ（∵N×φm=△φ），则有N×φm×Wa=△φ×N×I0/ (Kf×

J)，两边约去N得：

φm×Wa＝△φ×I0/ (Kf ×J) (6)

而△φ×I0/ (Kf×J)是电路设计时计算出来的。一款磁心其φm×Wa的值使（6）式成立。则

外径也选定了。

由于φm=B×Ae Ae 是磁心的有效截面积。

Ae= (外径－内径)/2×h×K（K称充填系数，通常在0.7-0.8之间），h是磁心高度。

当Wa确定后，内径也就确定了。

于是Ae只与外径和磁心高度有关了。

当h选定后，一个确定的Ae 就有一个确定的外径。

这样由△φ×I0/ (Kf×J)的计算值就确定了磁心的尺寸。

f、决定匝数N

先求最小匝数Nmin

由式（3）知N×φm≥△φ。式中的φm是由(3)式计算出来的最小磁通量。或N≥△φmin/φm，

则：

Nmin=△φmin/φm(取整数) (7)

现在求Nmax

∵式（4）中的△φ=Vreg/F或V砍/F

而Vreg=V砍=V1-V0=VS×Dmax－V0，(式中V1为最大输出电压)，得V0= VS×Dmax－V砍

当V砍= VS×Dmax时，V0=0，即是说磁心的调节作用最多只能把VS×Dmax这个电压砍掉，此

时的△φmax=V砍max/F=VS×Dmax/F

φmax= VS×Dmax/F= V1/F (8)

此时Nmax=△φmax/φm (9)

g、决定导线直径D

设绕线采用单股则导线截面积Aw=I0/J

由I0计算出的导线截面积Aw=I0/J0

由导线直径计算出的截面积Aw=Dπ2/4

两个截面积应相等，得到Dπ2/4=I0/J ，D=√（4I0/πJ）

设J=6 A/mm2,则d=0.46√ I0

h、计算死角

当正向电流来到时，我们希望磁心立即饱和，但这办不到，只有当正向电流到达一定值，H=HS 时磁心才饱和或者说只有当磁心的B值从Br到达Bm 时，才能饱和，从Br到Bm差（1-Br/Bm）到达Bm，磁通量差φm×（1-Br/BM）到达φm，N匝线圈就差N×φm×（1-Br/BM）到达Nφm，当变压器次级电压为Vi时，则Nφm×（1-Br/BM）=Vi*td 注意N×φm×（1-Br/BM）也是一个磁通量，它等于电压和时间的乘积，变换上式得到：

td= Nφm×（1-Br/Bm）/Vi (10)

td被称为死时间。

Vi*td/T= Vd (11)

称Vd为死角电压。（T为周期）

有点象二极管的管压降一般，每个磁心都有，且和工作频率有关。

∵Vd= Vi* td/T= Vi× td×f， f越大，td越大。

如果下式满足，则死角影响可以忽略：

即Vi=［V0（1+KC）+VF+Vd］/Dmin

KC为富裕系数

VF为整流二极管压降

Vd为死角电压

i、计算复位电流

∵磁滞回线负x方向任意一点所对应的反向磁场Hr=N×Ir/Al

la：磁心有效磁路长度（米）

∴Ir=Hr×la/N （A）

式中Hr单位为A/M(安/米)

la单位为M

Ir单位为A

要求得Ir必须知道Hr，有两种求法：

1）取Hr=HC磁心的矫顽力，则：

Ir=Hc×l/N (12)

2）Hr可由△φmin或△φmax计算出

（φmin、φmax分别由3、8式计算出）

Hr=［0.1502×（fsw）0.57×(△φ)0.7/(N×Ae)0.7］×79.6 (13) (乘以79.6是将奥斯特化成安/米。)

再由式（12）计算复位电流。

3采用可饱和磁心作调节元件

三种典型电路中

a、被砍去电压Vreg的计算公式

b、所需磁通量△φ的计算公式

3.1单端正激电路(半波整流电路)