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1、磁性元件是储能、能量转换及电气隔离所必备的电力电子器件；磁性元件主要包括变压器和电感两大类；磁性元件由铁芯和绕组构成。,一、概述,第四讲 磁性元件的设计,体积和重量分别占总体积的20%-30%，占总重量的30%-40%；参数选择影响输入输出的纹波和系统动态特性；寄生参数影响器件的电流应力和电压应力；损耗影响整机的变换效率。,磁性元件需要综合考虑系统的成本、体积、重量和性能指标要求，其无法由市场上买到的，必须专门设计。,二、磁性材料的基本知识,1、磁滞回线,反复磁化时，铁芯中任一点的磁感应强度B与磁场强度H之间的关系曲线B=f(H)。,基本磁化曲线,真空的绝对磁导率：,2、磁导率,相同的磁场强度
2、H，在不同的磁介质中产生的磁感应强度B是不同的，即不同介质导磁能力不一样。,磁场介质,非铁磁材料（如空气、油等）=0,铁磁材料（如：铁、镍等）0,绝对磁导率,相对磁导率,具有气隙或者非均匀截面的铁芯，各段磁路中的值不同。常用环形均匀铁芯来等效，其磁导率即为等效磁导率e。,初始磁导率i和最大磁导率m均为相对磁导率。,等效磁导率,3、居里温度,4、电感系数,电感系数：铁芯上绕1匝线圈产生的自感量。,电感,铁磁材料,顺磁体=0（温度高于居里温度）,铁磁体 0（温度低于居里温度）,5、加气隙后磁滞回线的变化,有气隙,添加气隙后，等效磁导率下降，导致B=f(H)的斜率变小。,无气隙,磁路中任意一点的磁密
3、都相等。当磁通密度达到该铁芯材料的Bs时，铁芯就会饱和，与是否有气隙无关。因此，无论气隙多大，铁芯磁饱和时的磁密不会变。,6、铁芯储能,若为线性磁路，则可视为线性电感。,7、铁芯损耗,磁滞损耗,交变磁场在在铁芯中引起涡流，从而产生涡流损耗Qe，其与交变频率、钢带厚度和电阻率有关。,磁滞损耗Qh正比于铁芯的磁滞回线的面积。,B,铁耗,铜耗,磁滞损耗,涡流损耗,磁性元件损耗,涡流损耗,三、铁芯的工作状态,1、分类,励磁方式,双向磁化,第类,单向磁化,第类,第类,变压器、交流滤波电感,单端变换器中的变压器,直流滤波电感,2、第类工作状态,铁芯线圈的外加纯交流励磁电压u，励磁电流双向流动。,S+为电压
4、u在(0-T/2)区间内的积分，也即：u波形与横轴（0-T/2）包围区域的面积，其单位（伏秒）。,t:(0-T/2),t:(T/2-T),同理，有：,只要伏秒平衡，则铁芯必能磁复位。,若铁芯磁化能进入稳态，则伏秒必定是平衡的。,磁通变化量为两倍最大磁通。,3、第类工作状态,铁芯的励磁电流单方向流动。,选Bs高的铁芯；,铁芯开气隙，以降低Br。,铁芯利用率很低,4、第类工作状态,励磁电流单方向流动。,励磁电流的交流分量很小，铁耗很小，主要是铜耗。,励磁电流的直流分量很大，为了避免铁芯饱和，需要添加气隙。,四、常用的铁芯材料,1、冷压硅钢带,Bs很大，约为0.61.9T,工作频率不高于1kHz，适
5、用于电力变压器和交流电感。,50Hz-0.35mm,400Hz-0.2mm,1kHz-0.1mm,损耗与含硅量、厚度和工作频率有关。工作频率高，则选高硅薄带。,2、软磁铁氧体,陶瓷磁性材料，呈暗灰色或者黑色，质地非常坚硬、脆而易碎。分为锰锌铁氧体或镍锌铁氧体。,电阻率是硅钢片的百万倍，涡流损耗极小，工作频率可达几kHz几千kHz，适用于小功率、高频功率变压器、谐振电感和直流滤波电感。,Bs较低，一般不超过0.5T，且随温度上升而明显下降。,居里温度较低，一般低于350。,主要厂家有：康达、金宁、飞利浦、TDK等。,环形,没有气隙，散磁少但容易饱和；结构简单，不需要骨架，适合自己绕制；窗口宽，散
6、热条件好！矩形截面，不适合粗导线绕线！线圈均匀绕在铁芯上，最适合做电感！,铁氧体铁芯在通信电源和开关电源中应用十分广泛，其结构形式多种多样，需要根据应用场合进行相应的选择。,罐形,圆柱形截面，绕线匝长较矩形截面短；罐体可以很好的磁屏蔽；线圈之间耦合较好，漏磁极小；窗口宽度小，不好散热，适合小功率；出线缺口小，引出线困难！,EE形,EI形,截面积很大，窗口宽，可以减少匝数和层数，漏磁小；形状简单，规格齐全、便于设计；窗口面积大，易于出线和散热，适合大功率场合；矩形截面，易并列扩展功率，但不适合粗导线绕线；,EC/ETD形,形状简单，便于设计；圆形截面，导线长度减小，铜耗减小，且适合粗导线绕线；线
7、圈耦合较好，漏磁较小。,3、磁粉芯,内部有很多非铁磁材料，相当于开了气隙，因此相对磁导率很低，约为10500。,不需要另外开气隙，不易饱和，能存储很大能量，适合做储能电感和反激变压器的铁芯。,等效气隙宽度是变化的，因此等效磁导率非线性，B-H曲线没有线性区，而是缓慢进入饱和。,将极细的磁性材料粉末和非铁磁材料混合在一起，模压、固化成环型铁芯。,铁粉芯,由铁粉和有机材料粘合而成；相对磁导率为1075之间；成本很低；材料很软；铁芯损耗相当大。,铁硅铝,由6%的铝、9%的硅和85%的铁组成；相对磁导率为26、60、75、90和125；成本较低；材料硬；铁芯损耗较小。,应用较广！,没人用啦！,铁镍磁粉
8、芯,50%铁粉和50%的镍粉粘合而成；相对磁导率为14200之间；成本很高；磁通密度最高，达1.5T；铁芯损耗介于铁硅铝和铁粉芯之间。,MPP粉末芯,由2%的钼、81%的镍和17%的铁组成；相对磁导率为14550；价格昂贵；温度稳定性最佳；铁芯损耗最小；磁通密度最低。,用于军品！,用于军品！,4、铁镍软磁合金（坡莫合金）,相对磁导率极高，一般在20000以上；极低的矫顽力，磁滞回线很窄，磁滞损耗很小；矩形比Br/Bm很高，适合做变压器；温度稳定好，但是价格较高；电阻率非常低，涡流损耗大，适合几kHz的场 合；为了减小涡流损耗，一般碾压成带料。超级坡莫合金IJ851可以工作于100kHz，其铁耗
9、 小于铁氧体。,5、非晶合金和微晶合金,采用冷却速度大约为106/s的超急冷凝固技术，从钢液到薄带成品一次成型。由于合金凝固时原子来不及有序排列结晶，故没有晶粒存在，称为非晶态合金，也称金属玻璃。,太贵,低廉,6、宽恒导磁合金,在很宽的磁场强度范围内具有恒定的磁导率；Bs很高；不用开气隙，设计简单，且EMI小；电阻率高，涡流损耗小，适合高频工作。适合做高频电感和反激变换器铁芯。,太棒了！,总 结,硅钢片：大功率（5kW）、低频（50Hz-400Hz）,铁氧体：中小功率（1kW）、高频（几十kHz-几百 kHz）,磁粉芯：非线性电感，中小功率（1kW）、中频（几kHz-几十kHz）,宽恒导：电感
10、，中小功率、高频（几十kHz）,铁基非晶：类似于硅钢片,钴基非晶：小功率（250W）、高频（几十kHz-几 百kHz）,铁镍基非晶：中小功率（1kW）、高频（几十kHz）,五、变压器和电感的设计,1、集肤效应,导线中流过交变电流时，导线横截面上的电流分布不均匀，内部电流密度小，而边缘部分的电流密度大。,导线有效截面积减小，电阻增大。与交变频率有关，频率越大，效 应越显著。常用穿透深度来表征有效截面 积减少的程度。绕组导线线径小于2倍穿透深度。,2、漏磁,只穿过一次绕组，不穿过二次绕组的磁通称为一次侧漏磁通；只穿过二次绕组，不穿过一次绕组的磁通称为二次侧漏磁通。,用漏感来表征漏磁，其导致很大的电
11、压尖峰。选择合适的铁芯结构：罐形、环形或者EC/ETD型。采用恰当的绕制方法：原副边夹绕、减小匝数、增 加绕组的高度、减小绕组厚度。,3、直流滤波电感的设计,电感量L、电流平均值Iav、电流纹波 I。,设计前已知的物理量,设计步骤（带气隙铁芯）,铁芯工作在第种工作状态；电流中存在很大的直流分量；铁芯中存在较大的直流偏磁；为避免饱和，采用加气隙铁芯 或者宽恒导磁合金铁芯；铁耗很小，饱和限制Bm选择。,第一步：选择铁芯型号,根据选择的铁芯材料，确定最大工作电流Im对应的磁密Bm。,第二步：计算绕组匝数,添加了气隙，磁路不饱和，因此为线性。,第三步：计算气隙长度,带气隙铁芯的磁阻即为气隙磁阻。,矩形
12、芯柱,圆形芯柱,第四步：校验气隙长度,合理气隙长度,第五步：计算导体尺寸,由于电流主要为直流分量，交流分量很小，所以忽略集肤效应；其电流有效值近似为电流平均值。,导体截面积,第六步：校验窗口面积,4、桥式变换器的高频变压器设计,铁芯工作在第种工作 状态；B=2Bm；铁耗较大；采用铁氧体或者铁基微 晶铁芯。,输入电压：Uin,minUin,max输出电压：Uo输出电流：Io,max=Po,max/Uo开关频率：fs最大占空比：Dmax,设计前已知的物理量,第一步：选择铁芯型号,根据选择的铁芯材料，确定最大工作磁密Bm。,开关频率50kHz,此时铁耗较小，饱和限制磁密选择。,若没有软启动，则选前者
13、；若已有软启动，则选后者。,开关频率50kHz,此时铁耗明显增大，所以铁耗限制磁密选择。,按照工作频率，在磁芯损耗曲线上按比损耗100200kW/m3选择B。,第二步：计算绕组匝数,计算原边匝数,最低输入电压且最大负载时达到最大占空比。为了保证能在任何输入电压下都能输出所要求电压，变压器的匝数必须在最低输入电压、额定输出电流下设计。,计算副边匝数,半波整流,全桥整流,倍流整流,第三步：计算导体尺寸,由于电流主要为交流分量，必须考虑集肤效应。,导体截面积,第四步：校验窗口面积,5、单端正激变换器的高频变压器设计,铁芯工作在第种工作 状态；B=Bm-Br；铁耗较大；采用铁氧体或者铁基微 晶铁芯。,
14、输入电压：Uin,minUin,max输出电压：Uo输出电流：Io,max=Po,max/Uo开关频率：fs最大占空比：Dmax,设计前已知的物理量,第一步：选择铁芯型号,根据选择的铁芯材料，确定最大工作磁密Bm。,开关频率50kHz,此时铁耗较小，饱和限制磁密选择。,若没有软启动，则选前者；若已有软启动，则选后者。,开关频率50kHz,此时铁耗明显增大，所以铁耗限制磁密选择。,按照工作频率，在磁芯损耗曲线上按比损耗100200kW/m3选择B。,第二步：计算绕组匝数,计算原边匝数,计算副边匝数,第三步：计算导体尺寸,由于电流主要为交流分量，必须考虑集肤效应。,导体截面积,第四步：校验窗口面积,
