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磁性器件中磁芯的选用及设计

 

 开关电源中使用的磁性器件较多,其中常用的软磁器件有:作为开关电源核心器件的主变压器(高频功率变压器)、共模扼流圈、高频磁放大器、滤波阻流圈、尖峰信号抑制器等。不同的器件对材料的性能要求各不相同,如表所示为各种不同器件对磁性材料的性能要求。

  ()、高频功率变压器

  变压器铁芯的大小取决于输出功率和温升等。变压器的设计公式如下:

  P=KfNBSI×10-6T=hcPc+hWPW

  其中,P为电功率;K为与波形有关的系数;f为频率;N为匝数;S为铁芯面积;B为工作磁感;I为电流;T为温升;Pc为铁损;PW为铜损;hchW为由实验确定的系数。

  由以上公式可以看出:高的工作磁感B可以得到大的输出功率或减少体积重量。但B值的增加受到材料的Bs值的限制。而频率f可以提高几个数量级,从而有可能使体积重量显著减小。而低的铁芯损耗可以降低温升,温升反过来又影响使用频率和工作磁感的选取。一般来说,开关电源对材料的主要要求是:尽量低的高频损耗、足够高的饱和磁感、高的磁导率、足够高的居里温度和好的温度稳定性,有些用途要求较高的矩形比,对应力等不敏感、稳定性好,价格低。单端式变压器因为铁芯工作在磁滞回线的第一象限,对材料磁性的要求有别于前述主变压器。它实际上是一只单端脉冲变压器,因而要求具有大的B=Bm-Br,即磁感Bm和剩磁Br之差要大; 同时要求高的脉冲磁导率。特别是对于单端反激式开关主变压器,或称储能变压器,要考虑储能要求。

  线圈储能的多少取决于两个因素: 一个是材料的工作磁感Bm值或电感量L 另一个是工作磁场Hm或工作电流I,储能W=1/2LI2。这就要求材料有足够高的Bs值和合适的磁导率,常为宽恒导磁材料。对于工作在±Bm之间的变压器来说,要求其磁滞回线的面积,特别是在高频下的回线面积要小,同时为降低空载损耗、减小励磁电流,应有高磁导率,最合适的为封闭式环形铁芯,其磁滞回线见图所示,这种铁芯用于双端或全桥式工作状态的器件中。

  通常,金属晶态材料要降低高频下的铁损是不容易的,而对于非晶合金来说,它们由于不存在磁晶各向异性、金属夹杂物和晶界等,此外它不存在长程有序的原子排列,其电阻率比一般的晶态合金高2-3倍,加之快冷方法一次形成厚度15-30微米的非晶薄带,特别适用于高频功率输出变压器。已广泛应用于逆变弧焊电源、单端脉冲变压器、高频加热电源、不停电电源、功率变压器、通讯电源、开关电源变压器和高能加速器等铁芯,在频率20-50kHz、功率50kW以下,是变压器最佳磁芯材料。

  近年来发展起来的新型逆变弧焊电源单端脉冲变压器,具有高频大功率的特点,因此要求变压器铁芯材料具有低的高频损耗、高的饱和磁感Bs和低的Br以获得大的工作磁感B,使焊机体积和重量减小。常用的用于高频弧焊电源的铁芯材料为铁氧体,虽然由于其电阻率高而具有低的高频损耗, 但其温度稳定性较差,工作磁感较低,变压器体积和重量较大,已不能满足新型弧焊机的要求。采用纳米晶环形铁芯后,由于其具有高的Bs (Bs>1.2T),高的ΔB (ΔB>0.7T),很高的脉冲磁导率和低的损耗,频率可达100kHz. 可使铁芯的体积和重量大为减小。近年来逆变焊机已应用纳米晶铁芯达几万只,用户反映用纳米晶变压器铁芯再配以非晶高频电感制成的焊机,不仅体积小、重量轻、便于携带,而且电弧稳定、飞溅小、动态特性好、效率高及可靠性高。这种环形纳米晶铁芯还可用于中高频加热电源、脉冲变压器、不停电电源、功率变压器、开关电源变压器和高能加速器等装置中。可根据开关电源的频率选用磁芯材料。

  环形纳米晶铁芯具有很多优点,但它也有绕线困难的不利因素。为了在匝数较多时绕线方便,可选用高频大功率C 型非晶纳米晶铁芯。采用低应力粘结剂固化及新的切割工艺制成的非晶纳米晶合金C 型铁芯的性能明显优于硅钢C 型铁芯。目前这种铁芯已批量用于逆变焊机和切割机等。逆变焊机主变压器铁芯和电抗器铁芯系列有: 120A160A200A250A315A400A500A630A 系列。

  ()、脉冲变压器铁芯

  脉冲变压器是用来传输脉冲的变压器。当一系列脉冲持续时间为td (μs)、脉冲幅值电压

  为Um (V)的单极性脉冲电压加到匝数为N 的脉冲变压器绕组上时,在每一个脉冲结束时,铁芯中的磁感应强度增量ΔB (T)为: ΔB = Um td / NSc × 10-2 其中Sc为铁芯的有效截面积(cm2)。即磁感应强度增量ΔB 与脉冲电压的面积(伏秒乘积)成正比。对输出单向脉冲时,ΔB=Bm-Br , 如果在脉冲变压器铁芯上加去磁绕组时,ΔB = Bm + Br 。在脉冲状态下,由动态脉冲磁滞回线的ΔB 与相应的ΔHp 之比为脉冲磁导率μp。理想的脉冲波形是指矩形脉冲波,由于电路的参数影响,实际的脉冲波形与矩形脉冲有所差异,经常会发生畸变。比如脉冲前沿的上升时间tr 与脉冲变压器的漏电感Ls、绕组和结构零件导致的分布电容Cs 成比例,脉冲顶降λ 与励磁电感Lm成反比,另外涡流损耗因素也会影响输出的脉冲波形。

  脉冲变压器的漏电感 Ls = 4βπN21 lm / h

  脉冲变压器的初级励磁电感 Lm = 4μπp Sc N2 / l ×10-9

  涡流损耗 Pe = Um d2td lF / 12 N21 Scρ

  β为与绕组结构型式有关的系数,lm为绕组线圈的平均匝长,h 为绕组线圈的宽度,N1为初级绕组匝数,l为铁芯的平均磁路长度,Sc为铁芯的截面积,μp为铁芯的脉冲磁导率,ρ 为铁芯材料的电阻率,d为铁芯材料的厚度,F为脉冲重复频率。

  从以上公式可以看出,在给定的匝数和铁芯截面积时,脉冲宽度愈大,要求铁芯材料的磁感应强度的变化量ΔB 也越大;在脉冲宽度给定时,提高铁芯材料的磁感应强度变化量ΔB,可以大大减少脉冲变压器铁芯的截面积和磁化绕组的匝数,即可缩小脉冲变压器的体积。要减小脉冲波形前沿的失真,应尽量减小脉冲变压器的漏电感和分布电容,为此需使脉冲变压器的绕组匝数尽可能的少,这就要求使用具有较高脉冲磁导率的材料。为减小顶降,要尽可能的提高初级励磁电感量Lm,这就要求铁芯材料具有较高的脉冲磁导率μp。为减小涡流损耗,应选用电阻率高、厚度尽量薄的软磁带材作为铁芯材料,尤其是对重复频率高、脉冲宽度大的脉冲变压器更是如此。

脉冲变压器对铁芯材料的要求为:

   高饱和磁感应强度Bs ;

   高的脉冲磁导率,能用较小的铁芯尺寸获得足够大的励磁电感;

   大功率单极性脉冲变压器要求铁芯具有大的磁感应强度增量ΔB,使用低剩磁感应材料;当采用附加直流偏磁时,要求铁芯具有高矩形比,小矫顽力Hc

   小功率脉冲变压器要求铁芯的起始脉冲磁导率高;

   损耗小。

  铁氧体磁芯的电阻率高、频率范围宽、成本低,在小功率脉冲变压器中应用较多,但其ΔB

  和μp 均较低,温度稳定性差,一般用于对顶降和后沿要求不高的场合。

  (). 电感器磁芯

  铁芯电感器是一种基本元件,在电路中电感器对于电流的变化具有阻抗的作用, 在电子设备中应用极为广泛。对电感器的主要要求有以下几点:

   在一定温度下长期工作时,电感器的电感量随时间的变化率应保持最小;

   在给定工作温度变化范围内,电感量的温度系数应保持在容许限度之内;

   电感器的电损耗和磁损耗低;

   非线性歧变小;

   价格低,体积小。

  电感元件与电感量L、品质因素Q、铁芯重量W、绕线的直流电阻R 有着密切的关系。

  电感L 抗拒交流电流的能力用感抗值ZL来表示: ZL = 2πfL , 频率f 越高,感抗值ZL 越大  

 

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