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(多图) 高频电源变压器磁芯的设计原理

来源:磁性材料及器件/王耕福?? 2006年05月31日 ?? 收藏0

?????? 1? 引言?

?????? 电子信息产业的迅速发展,对高频开关式电源不断提出新的要求。据报导,全球开关电源市场规模已超过100亿美元[1]。通信、计算机和消费电子产品是开关电源的三大主力市场。庞大的开关电源市场主要由AC/DC和DC/DC开关电源两部分组成。据预测,AC/DC开关电源全球销售收入将从1999年的91亿美元增加到2004年的122亿美元,年平均增长率为5.9%。低功率(0~300W)的AC/DC将面向增长平稳的消费电子产品和计算机市场;大功率(750~1500W)的AC/DC电源将面向增长强劲的电信市场。DC/DC电源约占整个开关电源市场的30%,但计算机与通信技术的快速融合,带动了DC/DC模块式电源的迅速增长。预计今后几年,DC/DC电源模块增长速度将超过AC/DC电源,有人估计,中国今后五年,DC/DC电源模块市场年增长将达15%,增长主要是在电信领域。开关式电源技术发展趋势是高密度、高效率、低噪声,以及

表面贴装化。无论是AC/DC或DC/DC电源,除了功率晶体管外,由软磁铁氧体磁芯制成的主变压器、扼流圈及其它电感器(如抗噪声滤波器)是极重要的元件,其磁性能和尺寸直接关系到电源的转换效率和功率密度等。在变压器设计中,主要包括绕组设计和磁芯设计。本文拟重点讨论涉及主变压器磁芯设计中应考虑的通过功率、性能因子、热阻等参数,并对降低磁芯总损耗提出了材料微观设计应考虑的方法。     

?????? 2 电源变压器磁芯性能要求及材料分类 ???   

?????? 为了满足开关电源提高效率和减小尺寸、重量的要求,需要一种高磁通密度和高频低损耗的变压器磁芯。虽然有高性能的非晶态软磁合金竞争,但从性能价格比考虑,软磁铁氧体材料仍是最佳的选择;特别在100kHz到1MHz的高频领域,新的低损耗的高频功率铁氧体材料更有其独特的优势。为了最大限度地利用磁芯,对于较大功率运行条件下的软磁铁氧体材料,在高温工作范围(如80~100℃),应具有以下最主要的磁特性:

  1)高的饱和磁通密度或高的振幅磁导率。这样变压器磁芯在规定频率下允许有一个大的磁通偏移,其结果可减少匝数;这也有利于铁氧体的高频应用,因为截止频率正比于饱和磁通密度。

  2)在工作频率范围有低的磁芯总损耗。在给定温升条件下,低的磁芯损耗将允许有高的通过功率。???? 附带的要求则还有高的居里点,高的电阻率,良好的机械强度等。???? 新发布的“软磁铁氧体材料分类”行业标准(等同IEC61332:1995),将高磁通密度应用的功率铁氧体材料分为五类,见表1。每类铁氧体材料除了对振幅磁导率和功率损耗提出要求外,还提出了“性能因子”参数(此参数将在下面进一步叙述)。从PW1~PW5类别,其适用工作频率是逐步提高的,如PW1材料,适用频率为15~100kHz,主要应用于回扫变压器磁芯;PW2材料,适用频率为25~200kHz,主要应用于开关电源变压器磁芯;PW3材料,适用频率为100~300kHz;PW4材料适用频率为300kHz~1MHz;PW5材料适用频率为1~3MHz。现在国内已能生产相当于PW1~PW3材料,PW4材料只能小量试生产,PW5材料尚有待开发。

功率铁氧体材料分类

  3? 变压器可传输功率

  众所周知,变压器的可传输功率Pth正比于工作频率f,最大可允许磁通密度Bmax(或可允许磁通偏移ΔB)和磁路截面积Ae,并表示为

  Pth = CfBmaxAeWd?????????? (1)

  式中,C为与开关电源电路工作型式有关的系数(如推挽式C=1;正向变换器C=0.71;反向变换器C=0.61);Wd为绕组设计参数(包含电流密度S,占空因子fCu,绕组截面积AN等)。


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DC/DC? 高频? 变压器? 磁芯?

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