【正文】 第 4章 高頻開關(guān)電源中的磁元件設(shè)計 1 2 3 磁性材料的概述 高頻變壓器設(shè)計方法 磁性材料及鐵氧體磁性材料 基本內(nèi)容 ? 這里討論的磁性元件是指繞組和磁芯 。 繞組可以是一個繞組 ， 也可以是兩個或多個繞組 。 它是儲能 、 轉(zhuǎn)換及隔離所必備的元件 。 常把它作為變壓器或電感器使用 。 ? 當(dāng)變壓器用 ， 可起作用為： 1) 電氣隔離； 2) 變比不同 ， 達(dá)到電壓升 、 降； 3) 大功率整流副邊相移不同 ， 有利紋波系數(shù)減小； 4) 磁耦合傳送能量； 5) 測量電壓 、 電流 。 ? 當(dāng)電感器用 ， 可起作用為： 1) 儲能 、 平波 、 濾波； 2)抑制尖峰電壓或電流 ， 保護(hù)易受電壓 、 電流損壞的電子元件； 3)與電容器構(gòu)成諧振 ， 產(chǎn)生方向交變的電壓或電流 。 目錄 用 義 磁性材料的磁化 磁性材料的基本特性 磁性材料及鐵氧體磁性材料 ? 磁性元件是開關(guān)變換器中必備的元件。但又不易透徹掌握工作情況 (包括磁材料特性的非線性，特性與溫度、頻率、氣隙的依賴性和不易測量性 )。在選用元件時，不像電子元件可以有現(xiàn)成成品選擇。絕大多數(shù)磁性元件都是要自行設(shè)計，主要是變壓器和電感器涉及的參數(shù)太多，例如：電壓、電流、頻率、溫度、能量、電感量、變比、漏電感、磁材料參數(shù)、銅損耗、鐵損耗等等。磁材料參數(shù)測量因難，也增加了人們的困惑感。絕大多數(shù)磁元件要自行設(shè)計，或提供參數(shù)委托設(shè)計、加工。 目錄 用 義 磁性材料的磁化 磁性材料的基本特性 磁性材料及鐵氧體磁性材料 磁性材料的磁化 ? 物質(zhì)的磁化需要外磁場 。 相對外磁場而言 ， 被磁化的物質(zhì)稱為磁介質(zhì) 。 將鐵磁物質(zhì)放到磁場中 ， 磁感應(yīng)強(qiáng)度顯著增大 。 磁場使得鐵磁物質(zhì)呈現(xiàn)磁性的現(xiàn)象稱為鐵磁物質(zhì)的磁化 。 鐵磁物質(zhì)之所以能被磁化 ， 是因為這類物質(zhì)不同于非磁物質(zhì) ， 在其內(nèi)部有許多自發(fā)磁化的小區(qū)域 — 磁疇 。 在沒有外磁場作用時 ， 這些磁疇排列的方向是雜亂無章的 (圖51(a))， 小磁疇間的磁場是相互抵消的 ， 整個磁介質(zhì) 對外不呈現(xiàn)磁性 。 如給磁性材料加外磁場 ， 材料中的磁疇順著磁場方向轉(zhuǎn)動 ， 加強(qiáng)了材料內(nèi)的磁場 。 隨著外磁場加強(qiáng) ，轉(zhuǎn)到外磁場方向的磁疇就越來越多 ， 與外磁場同向的磁感應(yīng)強(qiáng)度就越強(qiáng) ， 如圖 51(b)～ （ d） 所示 ， 這就是說材料被磁化了 。 目錄 用 義 磁性材料的磁化 磁性材料的基本特性 磁性材料及鐵氧體磁性材料 HHH(a) (b) (c) (d) 圖 51 鐵磁物質(zhì)磁化 過程中的 磁疇排列 磁性材料的磁化 目錄 用 義 磁性材料的磁化 磁性材料的基本特性 磁性材料及鐵氧體磁性材料 磁性材料的磁化過程 ? 如將完全無磁狀態(tài)的鐵磁物質(zhì)放在磁場中 ， 磁場強(qiáng)度從零逐漸增加 ， 測量鐵磁物質(zhì)的磁通密度 B， 得到磁通密度和磁場強(qiáng)度 H之間關(guān)系 ，并用 BH曲線表示 ， 該曲線稱為磁化曲線 ， 如圖 52曲線 C所示 。 HB0abcABC?tg ? =? 0圖 52 鐵磁物質(zhì)的磁化特性 磁性材料的磁化 目錄 用 義 磁性材料的磁化 磁性材料的基本特性 磁性材料及鐵氧體磁性材料 ? 當(dāng)磁介質(zhì)置于磁場中 ， 外磁場較弱時 ， 隨著磁場強(qiáng)度的增加 ，與外磁場方向相差不大的那部分磁疇逐漸轉(zhuǎn)向外磁場方向 （ 圖51（ b）） ， 磁感應(yīng) B隨外磁場增加而增加 (圖 52中 oa段 )。 如果將外磁場 H逐漸減少到零時 ， B仍能沿 ao回到零 ， 即磁疇發(fā)生了“ 彈性 ” 轉(zhuǎn)動 ， 故這一段磁化是可逆的 。 ? 當(dāng)從磁場繼續(xù)增大時 ， 與外磁場方向相近的磁疇已經(jīng)趨向于外磁場方向 ， 那些與磁場方向相差較大的磁疇克服 “ 摩擦 ” ， 也開始轉(zhuǎn)向外磁場方向 （ 圖 51（ c）） ， 因此磁感應(yīng) B隨 H增大急劇上升 ， 如磁化曲線 ab段 。 如果把 ab段放大了看 ， 曲線呈現(xiàn)階梯狀 ， 說明磁化過程是跳躍式進(jìn)行的 。 如果這時減少外磁場 ，B將不再沿 ba段回到零 ， 過程是不可逆的 。 磁性材料的磁化 目錄 用 義 磁性材料的磁化 磁性材料的基本特性 磁性材料及鐵氧體磁性材料 飽和磁滯回線 ? 如果將鐵磁物質(zhì)沿磁化曲線 OS 由完全去磁狀態(tài)磁化到飽和 Bs（ 如圖 53 所示 ） ， 此時如將外磁場 H 減小 ， B值將不再按照原來的初始磁化曲線 (0S)減小 ， 而是更加緩慢地沿較高的 B 減小 ， 這是因為發(fā)生剛性轉(zhuǎn)動的磁疇保留了外磁場方向 。 即使外磁場 H=0時 ， B≠0，即尚有剩余的磁感應(yīng)強(qiáng)度 Br 存在 。這種磁化曲線與退磁曲線不重合特性稱為磁化的不可逆性 。 磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 的改變滯后于磁場強(qiáng)度 H 的現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象 。 HB+ HC HC+ Br Br+ BS BS+ HS HS0S圖 53 磁芯的磁滯回線 磁性材料的磁化 目錄 用 義 磁性材料的磁化 磁性材料的基本特性 磁性材料及鐵氧體磁性材料 初始磁導(dǎo)率 初始磁導(dǎo)率是磁性材料的磁化曲線始端磁導(dǎo)率的極限值 ， 即： 式中 ?0— 真空磁導(dǎo)率 (4p 10－ 7H/m) ； H — 磁場強(qiáng)度 (A/m)；B — 磁感應(yīng)強(qiáng)度 (T)。 有效磁導(dǎo)率 ?r 在閉合磁路中 ， 或多或少地存在著氣隙 ， 若氣隙很小可以忽略 ，則可以用有效磁導(dǎo)率來表征磁芯的導(dǎo)磁能力 : 式中 L— 線圈的自感量 (mH)； N — 線圈匝數(shù)； l/Ae —— 磁芯常數(shù) ，是磁路長度與磁芯截面積 Ae之比值 (mm1) HBL i mHi 001?? ??7e2r 104 ??? AlNLp? 51 52 磁性材料的基本特性 目錄 用 義 磁性材料的磁化 磁性材料的基本特性 磁性材料及鐵氧體磁性材料 飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 BS ? 隨磁芯中磁場強(qiáng)度 H增加 ， 磁感應(yīng)強(qiáng)度出現(xiàn)飽和時的 B值 ， 稱飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs(mT)(如圖 53所示 )。 剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度 Br ? 磁芯從磁飽和狀態(tài)去除磁場后 ， 剩余的磁感應(yīng)強(qiáng)度 (或稱殘留磁通密度 ) (如圖53所示 )。 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(yīng)強(qiáng)度減小到零 ， 此時的磁場強(qiáng)度稱為矯頑力 (或保磁力 ) (如圖53所示 ) 磁性材料的基本特性 目錄 用 義 磁性材料的磁化 磁性材料的基本特性 磁性材料及鐵氧體磁性材料 HB+ HC HC+ Br Br+ BS BS+ HS HS0S圖 53 磁芯的磁滯回線 溫度系數(shù) ?? ? 溫度系數(shù)為溫度在 T1至 T2范圍內(nèi)變化 1oC時，每相應(yīng)磁導(dǎo)率的相對變化量，即 ?1—— 溫度為 T1時的磁導(dǎo)率； ?2—— 溫度為 T2時的磁導(dǎo)率 居里溫度 Tc ? 在該溫度下磁芯的磁狀態(tài)由鐵磁性轉(zhuǎn)變成順磁性。其定義如圖 5－ 4所示，即在 ?－ T曲線上， 80％ ?max與 20％ ?max連線與 ?=1的交叉點(diǎn)相對應(yīng)的溫度，即為居里溫度 Tc。 )(1 1212112 TTTT ??????????TC0 .8?m a x0 .2?m a x? =1T?i圖 54 居里溫度 Tc定義圖 磁性材料的基本特性 目錄 用 義 磁性材料的磁化 磁性材料的基本特性 磁性材料及鐵氧體磁性材料 磁芯損耗 (鐵損 ) Pc ? 磁芯損耗包括：磁滯損耗 、 渦流損耗 、 殘留損耗 。 ? 磁滯損耗是交流磁化所消耗的能量 ， 表為 ? 作為工程計算 ， 可用式 計算 。 其中： f —— 頻率； Bm—— 最大磁通密度； Ch—— 磁滯損耗系數(shù) ， 因材質(zhì)而異 。 ? 渦流損耗是交變磁場在磁芯中產(chǎn)生環(huán)流引起的歐姆損耗 ， 表 為 ? 其中 Ce—— 磁滯損耗系數(shù) ， 大小取決于材料電阻率 。 ? 殘留損耗是由磁化延遲及磁矩共振等造成 ， 前兩項是主要的 。 HP fV HdB? ?1. 6H h mP C f B V? ? ? ?2 2 2e e mP C f B V? ? ? ? ?＝ 53 磁性材料的基本特性 目錄 用 義 磁性材料的磁化 磁性材料的基本特性 磁性材料及鐵氧體磁性材料 電感系數(shù) AL ? 電感系數(shù)是磁芯上每一匝線圈產(chǎn)生的自感量 ， 即 式中： L —— 有磁芯的線圈的自感量 (H)