高頻變壓器磁芯的設(shè)計原理.pdf

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1、高頻電源變壓器磁芯的設(shè)計原理頁碼，1/6高頻電源變壓器磁芯的設(shè)計原理摘要：開關(guān)電源正向高頻化發(fā)展，作為主變壓器使用的軟磁鐵氧體磁芯，從材料性能、尺寸形狀等均應(yīng)作相應(yīng)改進(jìn)。本文討論了磁芯設(shè)計中應(yīng)考慮的通過功率、性能因子、熱阻系數(shù)等參數(shù)，并提出了降低材料高頻損耗的微觀設(shè)計方法。1．引言電子信息產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對高頻開關(guān)式電源不斷提出新的要求。據(jù)報導(dǎo)，全球開關(guān)電源市場規(guī)模已超過100億美元。通信、計算機(jī)和消費電子是開關(guān)電源的三大主力市場。龐大的開關(guān)電源市場主要由AC/DC和DC/DC開關(guān)電源兩部分組成。據(jù)預(yù)測，AC/DC開關(guān)電

2、源全球銷售收入將從1999年的91億美元增加到2004年的122億美元，年平均增長率為5.9%。低功率的AC/DC（0～300W）將面向增長平衡的消費電子和計算機(jī)市場；大功率的AC/DC電源（750～1500W）將面向增長強(qiáng)勁的電信市場。DC/DC電源約占整個開關(guān)電源市場的30%，但計算機(jī)與通信技術(shù)的快速融合，帶動了DC/DC模塊式電源的迅速增長，預(yù)計今后幾年，DC/DC電源模塊增長速度將超過AC/DC電源，如有人估計，中國今后五年，DC/DC電源模塊市場年增長將達(dá)15%，增長主要是在電信部門。開關(guān)式電源技術(shù)發(fā)展趨勢是高

3、密度、高效率、低噪聲，以及表面貼裝化。無論是AC/DC或DC/DC電源，除了功率晶體管外，由軟磁鐵氧體磁芯制成的主變壓器、扼流圈及其它電感器（如抗噪聲濾波器）是極重要的元件，其磁性能和尺寸直接關(guān)系到電源的轉(zhuǎn)換效率和功率密度等。在變壓器設(shè)計中，主要包括繞組設(shè)計和磁芯設(shè)計。本文擬重點討論涉及主要變壓器磁芯設(shè)計中應(yīng)考慮的通過功率、性能因子、熱阻等參數(shù)，并對降低磁芯總損耗提出了材料微觀設(shè)計應(yīng)考慮的方法。2．電源變壓器磁芯性能要求及材料分類為了滿足開關(guān)電源提高效率和減小尺寸重量的要求，需要一種高磁通密度和高頻低損耗的變壓器磁芯。雖

4、然有高性能的非晶態(tài)軟磁合金競爭，但從性能價格比考慮，軟磁鐵氧體材料仍是最佳的選擇；特別在100kHz到1MHz的高頻領(lǐng)域，新的低損耗的高頻功率鐵氧體材料，更有其獨特的優(yōu)勢。為了最大程度地利用磁芯，對于較大功率運行條件下的軟磁鐵氧體材料，在高溫工作范圍（如80～100℃），應(yīng)是有以下最主要的磁特性：（1）高的飽和磁通密度或高的原振幅磁導(dǎo)率。這樣變壓器磁芯在規(guī)定頻率下允許有一個大的磁通偏移，其結(jié)果可減少匝數(shù)；這也有利于鐵氧體的高頻應(yīng)用，因為截止頻率正比于飽和磁化。（2）在工作頻率范圍有低的磁芯總損耗。在給定溫升條件下，低的磁

5、芯損耗將允許有高的通過功率。???附帶的要求則還有高的居里點，高的電阻率，良好的機(jī)械強(qiáng)度等。新發(fā)布的“軟磁鐵氧體材料分類”行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（等同IEC1332-1995），將高磁通密度應(yīng)用的功率鐵氧體材料分為五類，見表1。每類鐵氧體材料除了對振幅磁導(dǎo)率和功率損耗提出要求外，還提出了“性能因子”參數(shù)（該參數(shù)將在下面進(jìn)一步敘述）。從PW1～PW5類別，其適用工作頻率是逐步提高的，如PW1材料，適用頻率為15～100kHz，主要應(yīng)用于回掃變壓器磁芯；PW2材料，適用頻率為25～200kHz，主要應(yīng)用于開關(guān)電源變壓器磁芯；PW3材料，適

6、用頻率為100～300kHz；PW4材料適用頻率為300kHz～1MHz；PW5材料適用頻率為1～3MHz。現(xiàn)在國內(nèi)已能生產(chǎn)相當(dāng)于PW1～PW3材料，PW4材料只能小量試生產(chǎn)，PW5材料尚有待開發(fā)。3．變壓器可傳輸功率高頻電源變壓器磁芯的設(shè)計原理頁碼，2/6???眾所周知，變壓器的可傳輸出功率正比于工作頻率f，最大可允許磁通Bmax，（或可允許磁能偏移ΔB）和磁路截面積Ae，并表示為：P=CfBAeWd(1)thmax式中，C棗與開關(guān)電源電路工作型式有關(guān)的系數(shù)（如推挽式C=1；正向變換器C=0.71；反向變換器C=0.6

7、1）W棗繞組設(shè)計參數(shù)（包含電流密度S，占空因子f，繞組截面積AdcuN等）。表1功率鐵氧體材料分類性能因f子功耗損耗maxfB2)4）1)3)5)類別μ（B×μaikHzmTf）kW/m3kHzmT×kHz4500PW1a≤30010015300>25002000(300×PW1b≤20015)5000PW2a≤30020020200>25002000(200×PW2b≤15025)10000PW3a≤300300100100>30002000(100×PW3b≤150100)1500PW4a≤300100030050>

8、20001500(50×PW4b≤150300)2500PW5a≤3003000100025>1000800(25×PW5b≤1501000)注：1）fmax是該類材料適用的最高頻率。2）B是該類材料適用的磁通密度。3）μ100℃的振幅磁導(dǎo)率，B和f見表1。4）功率損耗在100℃測量，B和f見表1。a5）是25℃初始