开关电源磁芯主要参数

第5章开关电源磁芯主要参数
5.1 概述
5.1.1 在开关电源中磁性元件的作用
这里讨论的磁性元件是指绕组和磁心。

绕组可以是一个绕组，也可以是两个或多个绕组。

它是储能、转换和/或隔离所必备的元件，常把它作为变压器或电感器使用。

作为变压器用，其作用是：电气隔离；变比不同，达到电压升、降；大功率整流副边相移不同，有利于纹波系数减小；磁耦合传送能量；测量电压、电流。

作为电感器用，其作用是：储能、平波、滤波；抑制尖峰电压或电流，保护易受电压、电流损坏的电子元件；与电容器构成谐振，产生方向交变的电压或电流。

5.1.2 掌握磁性元件对设计的重要意义
磁性元件是开关变换器中必备的元件，但又不易透彻掌握其工作情况（包括磁材料特性的非线性，特性与温度、频率、气隙的依赖性和不易测量性）。

在选用磁性元件时，不像电子元件可以有现成品选择。

为何磁性元件绝大多数都要自行设计呢？主要是变压器和电感器涉及的参数太多，例如：电压、电流、频率、温度、能量、电感量、变比、漏电感、磁材料参数、铜损耗、铁损耗等等。

磁材料参数测量困难，也增加了人们的困惑感。

就以Magnetics公司生产的其中一种MPP铁心材料来说，它有10种μ值，26种尺寸，能在5种温升限额下稳定工作。

这样，便有10×26×5= 1300种组合，再加上前述电压、电流等电参数不同额定值的组合，将有不计其数的规格，厂家为用户备好现货是不可能的。

果真有现货供应，介绍磁元件的特性、参数、使用条件的数据会非常繁琐，也将使挑选者无从下手。

因此，绝大多数磁元件要自行设计或提供参数委托设计、加工。

本章将介绍磁元件的一般特性，针对使用介绍设计方法。

结合线性的具体形式的设计方法，以后还将进一步的介绍。

5.1.3 磁性材料基本特性的描述
磁性材料的特性首先用B-H平面上的一条磁化曲线来描述。

以μ表示B/H，数学上称为斜率，表示为tanθ=B/h；电工上称为磁导率，如图5.1所示。

由于整条曲线多处弯曲，因此有多个μ值称呼。

另外，从不同角度考查也有不同称呼。

图5.1 μ的各种称谓用B/H 曲线示意图
首先，磁化曲线开始段的磁导率，称为初始磁导率，表示为μi 。

其次，磁化曲线上有个最大的磁导率，表示为μm ，如曲线A 点处。

再次，磁化曲线上任一点，在微小交流磁场作用下，考察微小交流磁感应强度变化，如曲线B 点，表示为μd ，
d B
H
μ∆=
∆ 称为变化磁导率μd 。

非磁性材料（例如铝、木料、玻璃、自由空间）B 与H 之比为一常数，用μ0
来表示非磁性材料的磁导率，即μ0=1（在CGS 单位制中）或μ0=4π×107（在RMKS 单位制中）。

当描述某一磁性材料的磁导情况，也常用它与自由空间中磁导情况比较，表示为有效（或相对）磁导率μr ，即
r μμμ=
其实，相对磁导率也是在两个相同的磁路内，相等的磁场强度下，磁性材料的磁感应强度与自由空间中的磁感应强度之比为：
r B B μ=
以上是关于磁导率的各种定义。

在众多的材料中，如果自由空间（真空）的μ0=1，那么，比1略大的材料，称为顺磁性材料（例如白金、空气等）；比1略小的材料，称为反磁性材料（例如银、铜、水等）。

在本章讨论的磁性元件μ>>1，是大有用处的。

只有在需要
磁屏蔽时候，才会用铜等反磁性材料，做成罩件使磁件的磁不会辐射到空间中去。

下面给出几个常用参数式。

1．初始磁导率μi
1
lim
i H B H
μμ→=
式中： μ0 ---- 真空磁导率(4π×10-7 H/m)；
H ---- 交流磁场强度(A/m)；
B ---- 交流磁感应强度(T)；
2．有效磁导率μr
在用电感L 形成闭合磁路中（漏磁可忽略），磁心的有效磁导率为：
72
104m r e L L A N
μπ-=
⨯⨯ 式中： L ---- 线圈的自感量(mH)；
N ---- 线圈圈数；
m
e
L A ---- 磁心常数，是磁路长度l m 与磁心截面积A e 之比值 （mm -1）；
3. 饱和磁感应强度B s
随着磁心中磁场强度H 增加，磁感应强度出现饱和时的B 值，称饱和磁感应强度B s 。

4．剩余磁感应强度B r
磁心从磁饱和状态去除磁场后，剩余的磁感应强度（或称残留磁通密度）。

5．矫顽力H c
磁心从饱和状态除磁场后，继续反向磁化，直至磁感应强度减小到零，此时的磁场强度称为矫顽力H c （或保磁力）。

6. 温度系数αμ
温度系数为温度在T 1至T 2范围内变化时，每变化10C 相应磁导率的相对变化量，即
()212
11211
r r r T T T T μμμαμ-=
⨯>-
式中： 1r μ ---- 温度为T 1时的磁导率；
2r μ ---- 温度为T 2时的磁导率；
7. 居里温度T c
其定义见图5-2，即在μ-T 曲线上，80%μmax 与20%μmax 连线与μ=1的交叉点相对应的温度，即为居里温度T c 。

在该温度下磁心的磁状态由铁磁性转变成顺磁性。

图5-2 居里温度T c 定义图
8. 磁心损耗(铁损)P c
磁心在工作磁感应强度时的单位体积损耗。

对正弦波，该工作磁感应强度可表示为：
()6
10mT 4.44s
w e
V B fNA =
⨯
式中： B w —— 工作磁感应强度(mT)；
V s —— 线圈两端的电压(V)； f —— 频率(kHz)； N —— 线圈圈数；
A e —— 磁心有效截面积(mm 2)；
磁心损耗包括：磁滞损耗、涡流损耗、残留损耗。

磁滞损耗是磁化所消耗的能量，表示为6
T h P HdB =⎰；作为工程计算用式： 1.6
h h m
P K fB = 其中，f 是频率；B m 是最大磁通密度；K h 是比例系数，因材料而异。

涡流损耗是交变磁场在磁心中产生环流引起的欧姆损耗，表示为：
2222
16w w P d B f πρ
=
其中d 为密度，即单位体积材料的重量，单位为g/cm 3；ρ电阻率，单位为Ω·m 。

残留损耗是由磁化延迟及磁矩共振等造成，前两项是主要的。

9．电感系数A L
电感系数是磁心上每一匝线圈产生的自感量，即：
()
22
/L L A H
N N =
式中 L ---- 有磁心的线圈的自感量(H)；
N---- 线圈匝数；
（注：本资料素材和资料部分来自网络，仅供参考。

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