开关电源磁芯主要参数

第5章开关电源磁芯主要参数

5.1 概述

5.1.1 在开关电源中磁性元件的作用

这里讨论的磁性元件是指绕组和磁心。绕组可以是一个绕组，也可以是两个或多个绕组。它是储能、转换和/或隔离所必备的元件，常把它作为变压器或电感器使用。

作为变压器用，其作用是：电气隔离；变比不同，达到电压升、降；大功率整流副边相移不同，有利于纹波系数减小；磁耦合传送能量；测量电压、电流。

作为电感器用，其作用是：储能、平波、滤波；抑制尖峰电压或电流，保护易受电压、电流损坏的电子元件；与电容器构成谐振，产生方向交变的电压或电流。

5.1.2 掌握磁性元件对设计的重要意义

磁性元件是开关变换器中必备的元件，但又不易透彻掌握其工作情况（包括磁材料特性的非线性，特性与温度、频率、气隙的依赖性和不易测量性）。在选用磁性元件时，不像电子元件可以有现成品选择。为何磁性元件绝大多数都要自行设计呢？主要是变压器和电感器涉及的参数太多，例如：电压、电流、频率、温度、能量、电感量、变比、漏电感、磁材料参数、铜损耗、铁损耗等等。磁材料参数测量困难，也增加了人们的困惑感。就以Magnetics公司生产的其中一种MPP铁心材料来说，它有10种μ值，26种尺寸，能在5种温升限额下稳定工作。这样，便有10×26×5= 1300种组合，再加上前述电压、电流等电参数不同额定值的组合，将有不计其数的规格，厂家为用户备好现货是不可能的。果真有现货供应，介绍磁元件的特性、参数、使用条件的数据会非常繁琐，也将使挑选者无从下手。因此，绝大多数磁元件要自行设计或提供参数委托设计、加工。

本章将介绍磁元件的一般特性，针对使用介绍设计方法。结合线性的具体形式的设计方法，以后还将进一步的介绍。

5.1.3 磁性材料基本特性的描述

磁性材料的特性首先用B-H平面上的一条磁化曲线来描述。以μ表示B/H，数学上称为斜率，表示为tanθ=B/h；电工上称为磁导率，如图5.1所示。由于整条曲线多处弯曲，因此有多个μ值称呼。另外，从不同角度考查也有不同称呼。

图5.1 μ的各种称谓用B/H 曲线示意图

首先，磁化曲线开始段的磁导率，称为初始磁导率，表示为μi 。 其次，磁化曲线上有个最大的磁导率，表示为μm ，如曲线A 点处。

再次，磁化曲线上任一点，在微小交流磁场作用下，考察微小交流磁感应强度变化，如曲线B 点，表示为μd ，

d B

H

μ?=

? 称为变化磁导率μd 。

非磁性材料（例如铝、木料、玻璃、自由空间）B 与H 之比为一常数，用μ0

来表示非磁性材料的磁导率，即μ0=1（在CGS 单位制中）或μ0=4π×107（在RMKS 单位制中）。

当描述某一磁性材料的磁导情况，也常用它与自由空间中磁导情况比较，表示为有效（或相对）磁导率μr ，即

r μμμ=

其实，相对磁导率也是在两个相同的磁路内，相等的磁场强度下，磁性材料的磁感应强度与自由空间中的磁感应强度之比为：

r B B μ=

以上是关于磁导率的各种定义。

在众多的材料中，如果自由空间（真空）的μ0=1，那么，比1略大的材料，称为顺磁性材料（例如白金、空气等）；比1略小的材料，称为反磁性材料（例如银、铜、水等）。在本章讨论的磁性元件μ>>1，是大有用处的。只有在需要

磁屏蔽时候，才会用铜等反磁性材料，做成罩件使磁件的磁不会辐射到空间中去。

下面给出几个常用参数式。 1．初始磁导率μi

1

lim

i H B H

μμ→=

式中： μ0 ---- 真空磁导率(4π×10-7 H/m)；

H ---- 交流磁场强度(A/m)；

B ---- 交流磁感应强度(T)；

2．有效磁导率μr

在用电感L 形成闭合磁路中（漏磁可忽略），磁心的有效磁导率为：

72

104m r e L L A N

μπ-=

?? 式中： L ---- 线圈的自感量(mH)；

N ---- 线圈圈数；

m

e

L A ---- 磁心常数，是磁路长度l m 与磁心截面积A e 之比值 （mm -1）；

3. 饱和磁感应强度B s

随着磁心中磁场强度H 增加，磁感应强度出现饱和时的B 值，称饱和磁感应强度B s 。

4．剩余磁感应强度B r

磁心从磁饱和状态去除磁场后，剩余的磁感应强度（或称残留磁通密度）。

5．矫顽力H c

磁心从饱和状态除磁场后，继续反向磁化，直至磁感应强度减小到零，此时的磁场强度称为矫顽力H c （或保磁力）。 6. 温度系数αμ

温度系数为温度在T 1至T 2范围内变化时，每变化10C 相应磁导率的相对变化量，即

()212

11211

r r r T T T T μμμαμ-=

?>-

式中： 1r μ ---- 温度为T 1时的磁导率；

2r μ ---- 温度为T 2时的磁导率；

7. 居里温度T c

其定义见图5-2，即在μ-T 曲线上，80%μmax 与20%μmax 连线与μ=1的交叉点相对应的温度，即为居里温度T c 。在该温度下磁心的磁状态由铁磁性转变成顺磁性。

图5-2 居里温度T c 定义图

8. 磁心损耗(铁损)P c

磁心在工作磁感应强度时的单位体积损耗。对正弦波，该工作磁感应强度可表示为：

()6

10mT 4.44s

w e

V B fNA =

?

式中： B w —— 工作磁感应强度(mT)；

V s —— 线圈两端的电压(V)； f —— 频率(kHz)； N —— 线圈圈数；

A e —— 磁心有效截面积(mm 2)；

磁心损耗包括：磁滞损耗、涡流损耗、残留损耗。

磁滞损耗是磁化所消耗的能量，表示为6

T h P HdB =?；作为工程计算用式： 1.6

h h m

P K fB = 其中，f 是频率；B m 是最大磁通密度；K h 是比例系数，因材料而异。

涡流损耗是交变磁场在磁心中产生环流引起的欧姆损耗，表示为：

2222

16w w P d B f πρ

=

其中d 为密度，即单位体积材料的重量，单位为g/cm 3；ρ电阻率，单位为Ω·m 。

残留损耗是由磁化延迟及磁矩共振等造成，前两项是主要的。 9．电感系数A L

电感系数是磁心上每一匝线圈产生的自感量，即：

()

22

/L L A H

N N =

式中 L ---- 有磁心的线圈的自感量(H)；

N---- 线圈匝数；

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