磁性元件设计

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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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 软磁性材料
大分类 合金磁芯
铁粉磁芯 铁氧体磁芯
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主分类 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) 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) 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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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。
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Bs:饱和磁感应强度Saturation Flux Density ；
5)磁芯损耗
磁芯损耗模型—Setinmetz Model
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磁芯损耗：
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
5)磁芯损耗
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磁芯损耗的 温度特性
温度对铁氧体的损耗影响很大；
不同材料有不同的温度特性曲线；
设计时注意工作温度范围；
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开关变换器建模、控制和设计 磁性材料
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); 3. 铁氧体类：特殊的粉芯类，包括锰锌系、镍锌系。
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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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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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TOROID
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SOLID CENTER POST
RM CORE
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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。
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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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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铁、钴、镍三种铁磁性元素是构成磁性材料的基本单元。
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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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开关变换器建模、控制和设计 基本参数
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1) 磁感应强度B
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
。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。


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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开关变换器建模、控制和设计 磁性材料
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。
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开关变换器建模、控制和设计 目录
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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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开关变换器建模、控制和设计 目录
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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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开关变换器建模、控制和设计 6.1 基本知识
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基本参数 磁性材料 磁路基本定律 电导体的设计
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开关变换器建模、控制和设计 基本参数
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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开关变换器建模、控制和设计 磁性材料
2) 加气隙后磁滞回线的变化
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I
N

H
lc

H


B mr m0
lc

B m0
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开关变换器建模、控制和设计 磁性材料
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1) 磁滞回线(B-H曲线)； 2) 加气隙后磁滞回线的变化； 3) 电路中磁芯三种工作状态； 4) 磁性材料的分类； 5) 磁芯损耗； 6) 磁芯的选择；
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开关变换器建模、控制和设计 磁性材料
环形磁芯的磁导率等效。
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在闭合磁路中（漏磁可忽略），有效磁导率me为:
me

L
4N 2

l Ae
107
L：线圈自感、N：线圈匝数 Ae：磁芯截面积、l：磁路长度 8
开关变换器建模、控制和设计
基本参数
2)磁导率m
初始磁导率 最大磁导率
磁性材料磁化曲线始端
磁导率的极限值: mi

开关变换器建模、控制和 设计
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 电感和变压器
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L
电感器 (Inductor)
电感量 L
变压器 (Transformer)
原副边匝数 比NP / NS
NP NS
是否算出电感的L和变压器的NP / NS就可以了？
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开关变换器建模、控制和设计 基本参数
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2) 磁导率m
绝对磁导率 相对磁导率
m B/H mr m / m0
真空磁导率
m0 4 107 H / m
等效磁导率
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
Br:剩余磁感应Βιβλιοθήκη Baidu度Remanence ；
Hc:矫顽力 Coercive Force；
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开关变换器建模、控制和设计 磁性材料
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1) 磁滞回线(B-H曲线)
矩形系数
剩余磁感应强度Br与饱和磁感应强度Bs之比。 用来表征磁芯材料特性矩形程度的参数。
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3) 电路中磁芯三种工作状态
第一类：双向磁化 变压器、交流滤波电感
第二类：单向磁化 第三类：单向磁化
单端变换器中的脉冲变压器 直流滤波电感
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开关变换器建模、控制和设计 磁性材料
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频率 400Hz以下 400Hz~8KHz 10kHz以下 50kHz~100kHz 300MHz以下 1MHz以下 300kHz以下 1MHz以下 1MHz~200MHz 25MHz以下
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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
TOROIDAL Magnetics
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表征磁场中某一点的磁性强弱和
方向的矢量(右手定则 )
B
F 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 f BS
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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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开关变换器建模、控制和设计 磁性材料
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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
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：
au

m2 m1 m1
T2
1 T1
(T2 T1 )
μ1、μ2分别是温度为 T1、T2时的磁导率。
6) 居里温度
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。
7) 电感因数AL
具有一定形状和尺寸的磁芯上每匝线圈产生的自感量
，称为自感系数，即：AL L / N 2
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开关变换器建模、控制和设计 6.1 基本知识
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基本参数 磁性材料 磁路基本定律 电导体的设计
6) 磁性材料的选择
应用
磁芯性能要 求
变压器
低频：高Bs 高频：低Bs
高m 低Hc或低Br
低损耗
输出滤波电感 高Bs
宽恒定的m
共模电感 高m
低损耗
低损耗
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举例1.双向磁化变压器：
磁感应在Bm之间变化，一般取Bm<Bs，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。
功率铁氧体在高频下具有很高的电阻率，因而涡流损
耗低、价格低，适合用于高频变压器磁芯。
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开关变换器建模、控制和设计 磁性材料
6) 磁性材料的选择
1
m0
lim
H 0
B H
磁导率中的最大值mm
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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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开关变换器建模、控制和设计 基本参数
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5) 温度系数
磁滞损耗(Ph) 与磁滞环的面积有关
合金铁磁物质，在低频(50Hz)和较高的Bm范 围内，损耗一般可以用：
PT

f

B 1.6 m
V
涡流损耗(Pe)
在200~300kHz，磁芯损耗可以表示为：
PT f Bm V
损耗系数，V 磁芯体积
，分别为大于1的频率和磁感应损耗系数