開關(guān)電源高級培訓研討會磁性元件培訓教材第1頁，共59頁。（優(yōu)選）開關(guān)電源高級培訓研討會磁性元件培訓教材第2頁，共59頁。1.磁的基本概念2.電磁基本定律3.器件主要參數(shù)--磁材4.磁性元件設計內(nèi)容提綱第3頁，共59頁?；靖拍铊F氧體磁芯

均勻氣隙的粉芯

非晶類磁材

電磁元件骨架

組成磁性元件的基本部件是磁心，而組成磁心的基本材料是磁性材料。第4頁，共59頁。物質(zhì)按磁性分類1抗磁性2順磁性3鐵磁性4亞鐵磁性5反鐵磁性磁性材料的分類第5頁，共59頁。強磁材料分類1軟磁2硬磁3旋磁4矩磁5壓磁磁性材料的分類第6頁，共59頁。1.磁的基本定義磁性材料是一種鐵磁物質(zhì)，該物質(zhì)在外加磁場中會表現(xiàn)為一種鐵磁特性，當磁場撤消后，該物質(zhì)又恢復為常態(tài)而無磁性。1.飽和磁感應強度Bs

隨磁芯中磁場強度的增加，磁感應強度B出現(xiàn)飽和時的值，稱為飽和磁感應強度Bs。

Bs=μH2.剩余磁感應強度Br磁芯從飽和狀態(tài)去除磁場后，即H=0時鐵芯仍有剩余的磁感應強度稱為剩磁感應強度。3矯頑力Hc

磁芯從飽和狀態(tài)去除磁場后，繼續(xù)反向磁化，直至磁感應強度減小到零，此時的磁場強度稱為矯頑力Hc。B~H磁滯回線圖(基本磁芯曲線)---代表磁材的主要磁性能第7頁，共59頁。1.磁的基本定義4.起始磁導率μi、振幅磁導率μa、增量磁導率μD和有效磁導率μe

第8頁，共59頁。1.磁的基本定義磁導率定義為磁感應強度B與磁場強度H的比值μ=B/μ0H

μi

---當交流磁場的振幅趨近于零時所得到的磁導率稱為起始磁導率；

μa---如果交變磁場的振幅比較大，所得到的磁導率稱為振幅磁導率(變壓器的工作狀態(tài))；

μD---在直流偏磁場上疊加一振幅較小的交變磁場作用下，交變磁場分量沿局部磁滯回線變化，此局部磁滯回線的斜率與1/μ0的乘積稱為增量磁導率(濾波電感器的工作狀態(tài))；

μe---含有氣隙的磁芯的磁導率稱為有效磁導率;真空磁導率為μ0=4π*10-7，磁芯單匝電感量值A(chǔ)l=μeμ0Ae/l

(mH/N2)--A/l單位為mm第9頁，共59頁。1.磁的基本定義5.居里溫度Tc

磁芯由鐵磁性(亞鐵磁性或反鐵磁性)轉(zhuǎn)變成順磁性的溫度稱為居里溫度。在μ~T曲線上，80%μmax與20%μmax連線與μ=1的交叉點相對應的溫度，即為居里溫度Tc。第10頁，共59頁。1.磁的基本定義6.磁致伸縮磁性體磁化狀態(tài)的變化引起其形狀、尺寸改變的現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應。在開關(guān)電源中磁致伸縮效應容易引起磁芯的機械共振，從而導致機械噪聲和電磁噪聲，可通過點膠固定、浸漆、工作頻率增高等方法降低。第11頁，共59頁。1.磁的基本定義7.磁心損耗磁性材料的損耗Pc由磁滯損耗Ph、渦流損耗Pe和剩余損耗Pr組成。磁滯損耗是磁化所消耗的能量，正比于靜態(tài)磁滯回線和磁心的體積

渦流損耗是交變磁場在磁心中產(chǎn)生環(huán)流引起的歐姆損耗剩余損耗是總損耗中除去渦流損耗和磁滯損耗之后所剩余的損耗。在低頻或弱磁場中，剩余損耗主要是磁后效損耗；在較高或高頻情況下，剩余損耗主要有尺寸共振損耗，疇壁共振損耗，自然共振損耗。磁心損耗與頻率和磁通密度有關(guān)，在低頻時，總損耗主要由磁滯損耗和渦流損耗構(gòu)成，Pe=(5%~10%)Ph，剩余損耗可以忽略。高頻時（200-300K），總損耗可近似為剩余損耗和渦流損耗。

第12頁，共59頁。1.磁的基本定義計算磁芯損耗通過廠家提供的數(shù)據(jù)計算第13頁，共59頁。磁場與磁感應強度的換算公式(國際單位制和實用單位制)磁場強度1奧斯特(Oe)=79.577A/m≈80A/mA/m:國際單位Oe:實用單位

磁感應強度B的單位在國際單位制中是特斯拉(Tesla)，簡稱特，代號為T。在實用電磁單位制中為高斯，簡稱高，代號為Gs。兩者的關(guān)系為1特斯拉(T)=1韋伯/米2(1Wb/m2)=104高斯(Gauss)1mT=10Gauss磁通Φ1Wb=108Mx1韋伯(國際單位)=108麥克斯韋(實用單位)1.磁的基本定義第14頁，共59頁。2.電磁定律電磁定律

線圈的匝數(shù)設為N，螺線管平均長度為l，線圈通入電流為I

安培環(huán)路定律

法拉第電磁感應定律

電感L

第15頁，共59頁。2.電磁能量關(guān)系第16頁，共59頁。磁路歐姆定律第17頁，共59頁。3.磁性材料在開關(guān)電源中，常用的軟磁材料有鐵氧體、磁粉芯、非晶態(tài)合金及超微晶合金等。

軟磁材料要求：

1、磁導率高

2、要求具有很小的矯頑力Hc和狹窄的磁滯回線

3、電阻率ρ要高

4、具有較高的飽和磁感應強度Bs第18頁，共59頁。鐵氧體材料

鐵氧體是深灰色或黑色陶瓷材料，質(zhì)地既硬又脆，化學穩(wěn)定性好。鐵氧體成分一般是氧化鐵和其它金屬組成－MeFe2O3。其中Me表示一種或幾種2價過渡金屬，如錳和鋅(MnZn)，或鎳和鋅(NiZn)。

MnZn又分為高磁導率磁芯和功率磁芯。高磁導率磁芯主要用于共模電感，要求磁芯在頻率低端有盡量高的磁導率實部（即盡量高的電感量）,同時在高頻段要求磁芯的頻率特性好，即磁芯的截止頻率盡量高。而功率磁芯主要用于高頻變壓器和輸入輸出電感。NiZn鐵氧體磁芯基本屬于絕緣材料，電阻率較高，因此，渦流損耗小，適于用在工字形電感以及高頻寬帶電感中，同時，損耗型NiZn廣泛用在電磁兼容對策（EMC對策)中作為吸收式濾波器使用。

第19頁，共59頁。鐵氧體形狀鐵氧體材料的主要形狀

E、EI、EC、P、T、EP、PQ、RM

第20頁，共59頁。第21頁，共59頁。天通的TP4磁芯第22頁，共59頁。新康達LP3磁芯第23頁，共59頁。鐵氧體--磁材磁芯材質(zhì)的選型方案我們目前通用的材質(zhì)，以TDK的磁材作為代表(以相當材質(zhì))，

PC40、PC44、PC5

對應的廠家分別型號

FDK6H207H10TDG(天通)TP4、TP4A(TP4S)SiemensN67、N8Philps3C90、3F3TOKIN2500B2

金寧三環(huán)JP4A

新康達LP3

第24頁，共59頁。第25頁，共59頁。磁粉芯是由顆粒直徑很?。?.5~5mm）的鐵磁性粉粒與絕緣介質(zhì)混合壓制而成的磁芯，一般為環(huán)形，也有壓制成E形的。磁粉芯的電磁特性取決于金屬粉粒材料的導磁率、粉粒的大小與形狀、填充系數(shù)、絕緣介質(zhì)的含量、成型壓力、熱處理工藝等。磁粉芯主要用于電感鐵芯，由于金屬軟磁粉末被絕緣材料包圍，形成分散氣隙，大大降低了金屬軟磁材料的高頻渦流損耗，使磁粉芯具有抗飽和特性與寬頻響應特性，特別適用于制作諧振電感、功率因數(shù)校正電感、輸出濾波電感、EMI濾波器電感等。磁粉芯第26頁，共59頁。常用磁粉芯簡介常用磁粉芯主要有鐵粉芯鐵硅鋁粉芯高磁通量（HighFlux）粉芯坡莫合金粉芯（MPP）磁粉芯主要形狀環(huán)型、E型第27頁，共59頁。常用磁粉芯簡介鐵粉芯構(gòu)成：碳基鐵磁粉及樹脂碳基鐵磁粉。使用注意要點：在高于75℃的大功率應用中，由于有機成分的老化而引起電感和品質(zhì)因數(shù)的永久性降低，降低的程度取決于時間、溫度、磁芯大小、頻率和工作磁通密度，主要用途：各種電源的輸入、輸出濾波電感、功率因數(shù)校正器等，使用頻率可達100kHz。第28頁，共59頁。常用磁粉芯簡介鐵硅鋁粉芯典型成：9%Al、55Si、85%Fe。特點：由于在純鐵中加入了硅和鋁，使材料的磁滯伸縮系數(shù)接近零，降低了材料將電磁能轉(zhuǎn)化為機械能的能力，同時也降低了材料的損耗，使鐵硅鋁粉芯的損耗比鐵粉芯的損耗低。比鐵粉芯具有更強的抗直流偏磁能力。由于不含有機成分，鐵硅鋁粉芯不存在老化問題，工作溫度可達200℃，鐵硅鋁粉芯的飽和磁感應強度在1.05T左右磁導率：26、60、75、90、125。第29頁，共59頁。

鐵硅鋁粉芯的磁通密度第30頁，共59頁。

鐵硅鋁粉芯的溫度特性第31頁，共59頁。

鐵硅鋁粉芯的直流疊加特性第32頁，共59頁。

鐵硅鋁粉芯磁導率隨交流磁通變化特性第33頁，共59頁。

鐵硅鋁粉芯磁導率頻率特性第34頁，共59頁。常用磁粉芯簡介

高磁通量（HighFlux）粉芯成分：50%Ni、50%Fe飽和磁感應強度:1.4T左右磁導率有14、26、60、125、147、160特點：是磁粉芯中具有最強抗直流偏磁能力的材料，磁芯損耗與鐵粉芯相近，比鐵硅鋁大許多。用途：主要用在高DC偏壓、大直流電和低頻交流電路中，也用于線路濾波器、交流電感、輸出電感、功率因數(shù)校正電感等。第35頁，共59頁。常用磁粉芯簡介鉬坡莫合金粉芯MPP成分：81%Ni、2%Mo、19%Fe飽和磁感應強度：約為0.75T磁導率：14、26、60、125、147、160、173、200、300、550特點：磁滯伸縮系數(shù)接近零，溫度穩(wěn)定性極佳，磁芯損耗低，抗直流偏磁能力僅次于鐵硅鋁粉芯，但價格最貴用途：主要用于高品質(zhì)因數(shù)濾波器（300kHz以下）、感應負載線圈、諧振電路、對溫度穩(wěn)定性要求高的LC電路、輸出濾波電感、功率因數(shù)補償電感等。第36頁，共59頁。常用磁粉芯簡介電感磁芯損耗比較（設鐵氧體的損耗為1）頻率10kHz100kHz500kHz1MHzMPP粉芯2×5×9×12×鐵硅鋁粉芯2×9×18×20×非晶態(tài)合金薄帶2×15×25×25×HF粉芯5×15×40×40×鐵粉芯20-40×20-60×25-100×13-21×第37頁，共59頁。非晶態(tài)合金及超微晶合金定義：非晶態(tài)合金的原子排列長程無序、短程有序、無晶粒、晶界。非晶態(tài)合金的結(jié)構(gòu)與玻璃結(jié)構(gòu)相似，也稱為金屬玻璃。性能：有優(yōu)異的軟磁性能，機械強度高、硬度高、韌性好、耐腐蝕、耐磨性好，電阻率較高。常用的非晶態(tài)合金有鐵基、鐵鎳基、鈷基合金三大類。第38頁，共59頁。非晶態(tài)合金及超微晶合金鐵基非晶態(tài)合金特點：飽和磁感應強度高，磁導率、勵磁電流和鐵損等方面都優(yōu)于硅鋼片，替代硅鋼做配電變壓器可節(jié)能60%-70%。應用：配電變壓器、大功率開關(guān)電源、脈沖變壓器、磁放大器、中頻變壓器及逆變器，適合于10kHz頻率使用。第39頁，共59頁。非晶態(tài)合金及超微晶合金鐵鎳基非晶態(tài)合金特點：中等飽和磁感應強度（0.8T），較高的初始磁導率和最大磁導率，高的機械強度和優(yōu)良的韌性，在中低頻率下鐵損低，經(jīng)磁場退火后可得到很好的矩形回線。應用；替代1J79，廣泛用于漏電開關(guān)、精密電流互感器、磁屏蔽等。第40頁，共59頁。非晶態(tài)合金及超微晶合金鈷基非晶態(tài)合金特點：飽和磁感應強度為0.5T-0.8T,飽和磁致伸縮系數(shù)為零，對應力不敏感，初始磁導率高（10kHz，100k以上）和最大磁導率（100萬），矯頑力低，高頻損耗低，機械強度高、韌性好、耐磨性好，價格高。應用：開關(guān)電源、磁放大器、脈沖變壓器、磁頭、磁屏蔽、傳感器等。第41頁，共59頁。非晶態(tài)合金及超微晶合金

超微晶非晶態(tài)材料經(jīng)過熱處理后獲得直徑為10-20納米的微晶，稱為超微晶或納米晶材料。鐵基超微晶合金（FeNbCuSiB合金）具有優(yōu)異的綜合磁性能，磁感應強度為1.2T，初始磁導率為80000，矯頑力為0.32A/m，電阻率為80微歐厘米。適用頻率：50Hz-100kHz，最佳頻率；20kHz-50kHz。第42頁，共59頁。磁性元件按開關(guān)電源應用分類---按工作位置分類1.變壓器(包括輔助電源變壓器)2.共模電感器(輸入級、輸出級、信號級)3.濾波電感器(輸入差模、輸出差模)

4.PFC電感器

5、諧振電感器、互感器、驅(qū)動變壓器、磁放大器、尖峰信號抑制用磁珠設計磁性器件包括三個步驟：

1、正確選擇磁性材料

2、合理確定磁芯的形狀和尺寸

3、根據(jù)磁性參數(shù)要求得到電氣參數(shù)

第43頁，共59頁。磁性元件----浸漆討論浸漆的作用是什么呢?答:浸漆作用是“三防”，即防塵、防腐、防潮。目前主要用的是環(huán)氧樹脂漆。為什么可以做到不浸漆?答:原因是1.器件需要三防處理要求降低(包括：器件發(fā)熱，在風的作用下，防塵效果提高等)，2.利于器件散熱需要。什么條件下的器件需要浸漆，或不需要浸漆?主要目的又是什么?答:在交變磁場較大的條件下，例如---輸入差模電感器、諧振電感器

PFC電感器等。主要目的是防止器件繞組線匝間短路與噪聲問題。第44頁，共59頁。磁性元件----反激變壓器氣隙問題反激變換器的氣隙問題現(xiàn)在我們假設存在氣隙,則存儲在磁芯中的能量:存儲在氣隙中的能量:真空磁導率相對磁導率Lg氣隙長度反激變換器的能量究竟是存在氣隙里還是磁芯里??第45頁，共59頁。完全能量傳輸方式設計理論計算公式單端反激型開關(guān)電源工作波形圖

以下的參數(shù)計算均基于此圖的波形進行理論計算。

第46頁，共59頁。完全能量傳輸方式設計理論計算公式變壓器原邊電感存儲的功率公式PL——變壓器原邊電感存儲的功率（W）L——變壓器原邊電感量（H）f——電源開關(guān)頻率（Hz）Ip——變壓器原邊電流峰值（A）Ton——開關(guān)管導通時間（s）UL——開關(guān)管導通時，加在變壓器原邊電感兩端的電壓（V），若忽略開關(guān)管的導通壓降，則UL=Uin。

第47頁，共59頁。反激變壓器設計1、確定輸入電壓范圍、電路輸出指標、輸出功率、電源開關(guān)頻率、變壓器效率、最大輸入占空比2、選擇磁芯和骨架3、計算原邊電流峰值、原邊電感、原邊匝數(shù)4、確定匝比、副邊匝數(shù)5、計算原邊、副邊電流有效值（1）平均值

（2）最大值

（3）有效值第48頁，共59頁。反激變壓器設計6、確定原邊、副邊線徑大小7、確定氣隙8、確定繞法9、計算損耗第49頁，共59頁。變壓器安規(guī)10.安規(guī)控制要求安規(guī)距離的控制部份(按工作電壓與絕緣強度劃分)

1原副邊爬電距離2磁芯與副邊之間的空間與爬電距離

3磁芯與PCB板空間距離

4原副邊、原邊與磁芯、副邊與磁芯電氣強度安規(guī)清單安規(guī)工藝

1耐熱絕緣等級1繞組不應超出檔空控制區(qū)域

2清單中的絕緣材料UL安規(guī)信息2繞組套管要伸入檔空至繞組部第50頁，共59頁。變壓器安規(guī)不合符安規(guī)工藝要求的實例第51頁，共59頁。共模電感器共模電感器(輸入級、輸出級、信號級)

共模電感器是抑制傳導干擾共模噪聲的主要器件，它是利用同相位的二個繞組繞制在同一磁芯上，在共模噪聲通過時，二繞組的磁通相互增加(振幅磁導率)，繞組阻抗(電感量)增大，從而起到抑制共模噪聲的效果。(LI=NΦ)按轉(zhuǎn)折頻率fR進行電感量計算(fR=1/[2π*(LCMCY)1/2])。共模用磁芯材質(zhì)MnZnR5K、R7K、R10KNiZnT5(1000ui)、T6(2000ui)非晶Fe基超微晶—例:500F(VAC)第52頁，共59頁。共模電感器1.影響共模電感器性能因素：繞制結(jié)構(gòu)—無論多么對稱繞制，差模分量仍存在；磁材性能—居里溫度低，工作磁密變化大；

(鐵氧體:200mT100℃,Fe基非晶:>200℃)2.繞制結(jié)構(gòu)方案3.磁材性能控制方案鐵氧體:最高工作溫度<130℃

Fe基超微晶:最高工作溫度<105℃

(外殼的溫度影響)

對稱性，差模分量<5uH第53頁，共59頁。共模電感器4.共模用磁材選型要求高磁導率μ、寬頻率(與繞制的匝間電容有關(guān))；

MnZn—磁導率5K(1kHz~500kHz)、磁導率7K(1kHz~400kHz)、磁導率10K(1kHz~300kHz)NiZn---磁導率1K/2K(100kHz~300MHz)

Fe基超微晶---磁導率>10K(50Hz~100kHz)(繞制時層數(shù)越少，匝間電容就越少，工作頻率也就越寬；二繞組并繞更能降低差模分量，抗干擾效果更好；線材使用PEW，針孔更少，機械強度更大，有效防止繞制出現(xiàn)的匝間短路。)第