磁性元件设计
合集下载
开关电源工程化实用设计指南
开关电源工程化实用设计指南开关电源是一种非常重要的电力转换设备，它可以将输入的直流电压转换为输出的交流电压，从而满足各种电子设备的供电需求。
开关电源的工程化实用设计是一项涉及到多个领域的技术工作，包括电路设计、磁性元件设计、功率转换器设计、控制器设计和可靠性设计等。
下面将介绍开关电源的工程化实用设计指南。
一、电路设计开关电源的电路设计是整个设计的核心，也是最关键的一步。
在电路设计中，需要考虑以下几个方面的因素：输入和输出电压：开关电源的输入和输出电压需要根据电子设备的实际需求来确定。
在输入电压方面，需要考虑到电网电压的波动和噪声等因素，确保开关电源能够稳定工作。
在输出电压方面，需要根据电子设备的功率和负载特性来进行设计，确保输出的电压能够满足电子设备的供电需求。
功率容量：开关电源的功率容量需要根据电子设备的功率需求来确定。
在确定功率容量时，需要考虑到开关电源的最大负载和可能出现的峰值负载等因素，确保开关电源的功率容量足够且不会出现过载或损坏的情况。
电路拓扑：开关电源的电路拓扑是指其基本电路结构。
根据不同的需求，可以选择不同的电路拓扑来进行设计。
常用的电路拓扑包括BUCK型、BOOST型、BUCK-BOOST型等，需要根据实际情况来选择合适的电路拓扑。
控制方式：开关电源的控制方式是指如何控制开关管的导通和关断，以达到稳定输出电压的目的。
常用的控制方式包括脉冲宽度调制（PWM）、脉冲频率调制（PFM）和电流模式控制等，需要根据实际情况来选择合适的控制方式。
二、磁性元件设计开关电源中的磁性元件主要包括电感和变压器，它们在功率转换器中起到重要的作用。
在磁性元件设计中，需要考虑以下几个方面的因素：磁芯材料：磁芯材料的选择是磁性元件设计的关键。
常用的磁芯材料包括铁氧体、坡莫合金和非晶合金等，需要根据实际情况来选择合适的磁芯材料。
线圈设计：线圈设计是磁性元件设计的另一个关键因素。
在电感设计中，需要考虑到线圈的匝数、线径和绕制方式等因素，以确保电感能够满足开关电源的负载需求。
5-磁性器件-PPT课件
交变磁化分量小、损耗小。
电力电子技术研究室
第三章 开关电源中磁性器件设计
② 含较大直流分量，为使磁芯不饱和，必须加适当的 气隙。 ③ 此类磁芯希望其最大储能大，要求最大磁感应强度 大。
三 常用磁性材料
* 按磁滞回线宽窄，把磁性材料分为软磁性材料和硬磁性材 料两大类。 * 如果磁滞回线很宽，即Hc 很高，需要很大的磁场强度才能 将磁材料磁化到饱和，同时需要很大的反向磁场强度才能将材料 中磁感应强度下降到零，我们称这类材料为硬磁材料。 * 如铝镍钴，钐钴，钕铁硼合金等永久磁铁，常用于电机激 磁和仪表产生恒定磁场。这类材料磁化曲线宽，矫顽磁力高。
（3）材料性能
① 电阻率(ρ ) 锰锌铁氧体0.1～20Ωm、镍锌铁氧 体为104～106Ωm。 电阻率还与温度和测量频率有关。 ② 磁化曲线 右图是某型号铁氧体的低频磁滞回线
电力电子技术研究室
第三章 开关电源中磁性器件设计
由于在铁氧体中存在粘结剂，与磁粉芯类似的原因，饱和过 程是缓慢的。 磁化曲线与温度的关系，在100℃时，饱和磁感应强度由常 温（25℃）的0.42T 下降到0.34T。因此，在选择磁芯时应考虑 这一因素。 ③ 损耗 磁芯损耗和工作频率与磁感应强度变化范围有关，可参 考赵修科《开关电源中磁性元器件》。
② 磁性比较弱（饱和磁感应强度大约为1T以下）；
电力电子技术研究室
第三章 开关电源中磁性器件设计
③ 价格较贵，但磁导率比较高，可以代替硅钢片或 者坡莫合金，用作高要求的中低频变压器铁芯； ④ 例如漏电开关、互感器。 * 钴基非晶合金： ① 由钴和硅、硼等组成，有时为了获得某些特殊的 性能还添加其它元素； ② 由于含钴，价格很贵，磁性较弱（饱和磁感应强 度一般在1T以下），但磁导率极高； ③ 一般用在要求严格的军工电源中的变压器、电感 等，替代坡莫合金和铁氧体。 * 铁基纳米晶合金（超微晶合金）： ① 它们由铁、硅、硼和少量的铜、钼、铌等组成， 其中铜和铌是获得纳米晶结构必不可少的元素；
电力电子技术研究室
第三章 开关电源中磁性器件设计
② 含较大直流分量，为使磁芯不饱和，必须加适当的 气隙。 ③ 此类磁芯希望其最大储能大，要求最大磁感应强度 大。
三 常用磁性材料
* 按磁滞回线宽窄，把磁性材料分为软磁性材料和硬磁性材 料两大类。 * 如果磁滞回线很宽，即Hc 很高，需要很大的磁场强度才能 将磁材料磁化到饱和，同时需要很大的反向磁场强度才能将材料 中磁感应强度下降到零，我们称这类材料为硬磁材料。 * 如铝镍钴，钐钴，钕铁硼合金等永久磁铁，常用于电机激 磁和仪表产生恒定磁场。这类材料磁化曲线宽，矫顽磁力高。
（3）材料性能
① 电阻率(ρ ) 锰锌铁氧体0.1～20Ωm、镍锌铁氧 体为104～106Ωm。 电阻率还与温度和测量频率有关。 ② 磁化曲线 右图是某型号铁氧体的低频磁滞回线
电力电子技术研究室
第三章 开关电源中磁性器件设计
由于在铁氧体中存在粘结剂，与磁粉芯类似的原因，饱和过 程是缓慢的。 磁化曲线与温度的关系，在100℃时，饱和磁感应强度由常 温（25℃）的0.42T 下降到0.34T。因此，在选择磁芯时应考虑 这一因素。 ③ 损耗 磁芯损耗和工作频率与磁感应强度变化范围有关，可参 考赵修科《开关电源中磁性元器件》。
② 磁性比较弱（饱和磁感应强度大约为1T以下）；
电力电子技术研究室
第三章 开关电源中磁性器件设计
③ 价格较贵，但磁导率比较高，可以代替硅钢片或 者坡莫合金，用作高要求的中低频变压器铁芯； ④ 例如漏电开关、互感器。 * 钴基非晶合金： ① 由钴和硅、硼等组成，有时为了获得某些特殊的 性能还添加其它元素； ② 由于含钴，价格很贵，磁性较弱（饱和磁感应强 度一般在1T以下），但磁导率极高； ③ 一般用在要求严格的军工电源中的变压器、电感 等，替代坡莫合金和铁氧体。 * 铁基纳米晶合金（超微晶合金）： ① 它们由铁、硅、硼和少量的铜、钼、铌等组成， 其中铜和铌是获得纳米晶结构必不可少的元素；
开关电源磁性元件理论及设计
目录分析
该部分简要介绍了开关电源磁性元件的基本概念、发展历程以及研究意义。 通过对开关电源市场的概述，突出了磁性元件在其中的重要地位，为后续章节的 学习奠定了基础。
目录分析
这部分详细介绍了与磁性元件相关的基本概念和理论。首先对磁性材料的特 性进行了概述，包括磁导率、磁饱和等概念。随后深入阐述了磁场、电感等基本 物理量，为后续章节的理论分析提供了支撑。
阅读感受
我要感谢这本书的作者以及商，为我们带来了这样一本宝贵的书籍。这本书 不仅是一本理论和实践相结合的教材，更是一部深入浅出、系统全面的参考书。 我坚信，无论是初学者还是专业人士，都能从中受益匪浅。
目录分析
目录分析
在现代电力电子技术中，开关电源以其高效、节能的特点被广泛应用。而作 为开关电源核心部件的磁性元件，其理论及设计的重要性不言而喻。本书将对 《开关电源磁性元件理论及设计》这本书的目录进行深入分析，以揭示其知识体 系和结构。
开关电源磁性元件理论及设计
读书笔记
01 思维导图
03 精彩摘录 05 目录分析
目录
02 内容摘要 04 阅读感受 06 作者简介
思维导图
本书关键字分析思维导图
元件
深入
电源
电源
这些
设计
可以
论及
开关
磁性 开关
实践
设计
理解
探讨
读者
理论
提供
指导
内容摘要
内容摘要
《开关电源磁性元件理论及设计》是一本深入探讨开关电源磁性元件理论和实践的书籍。这本书 为读者提供了关于磁性元件在开关电源中应用的全面的理解和指导，无论是在理论上还是在设计 实践上。 这本书详细介绍了磁性元件的基本理论，包括电磁学的基本原理，磁性材料的性质，以及磁性元 件在开关电源中的工作原理。通过这些基本概念的阐述，读者可以建立起对磁性元件的深入理解， 从而更好地理解其在开关电源中的作用。 这本书深入探讨了磁性元件的设计和优化。这部分内容涵盖了从磁性元件的参数选择，到设计过 程的每一步，再到最后的优化过程。无论是选择合适的磁性材料，还是确定元件的尺寸和形状， 都有详尽的解释和指导。书中还提供了多种设计实例，让读者可以更直观地理解这些理论和方法 的应用。
磁性元件设计
TOROID
2014/12/31
SOLID CENTER POST
RM CORE
பைடு நூலகம்
23
开关变换器建模、控制和设计 磁性材料
BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY
4) 磁性材料的分类
软磁材料应用的几个注意点
在低频(比如50Hz)应用中，一般铁氧体比不上性能优良的硅钢片。若在低频 时采用铁氧体磁芯，变压器的体积就非常大，因此在低频时，特别是工频时都采 用硅钢磁芯。在高频(比如20kHz)时叠层式硅钢片的涡流和磁滞损耗很大，铁氧 体则由于其高电阻率磁芯的损耗很低，因此在高频时通常用铁氧体磁芯。
BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY
2014/12/31
19
开关变换器建模、控制和设计
磁性材料
4) 磁性材料的分类
软磁性材料
BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY
2014/12/31
20
开关变换器建模、控制和设计 磁性材料
4) 磁性材料的分类
软磁性材料
BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY
近年来非晶态软磁材料和微晶软磁材料发展很快，由于它们的性能优良，加 工成形容易而受到人们的青睐。目前在十几KHz至几十KHz的中、大功率电力电 子装置中应用较广。在上百KHz领域及十KHz的小功率领域仍以铁氧体磁芯材料 为主。
负载电流较大时，磁芯的选择一般不直接选用高磁导率材料，通常选用磁导 率较低的材料，在选滤波扼流圈磁芯时更是如此。这是因为磁导率较低可以去掉 较大的有效空气隙。
磁芯201的4/1电2/31阻率大，涡流损耗小。
25
开关变换器建模、控制和设计 磁性材料
开关电源中的磁性元
变压器设计
根据电源转换需求，设计变压器 的线圈匝数、绕组方式、铁芯尺 寸等参数，以实现电压和电流的
转换。
电感器设计
根据滤波和储能需求，设计电感器 的线圈匝数、绕组方式、磁芯尺寸 等参数，以实现电流的滤波和储能。
互感器设计
根据信号传输需求，设计互感器的 线圈匝数、绕组方式、磁芯尺寸等 参数，以实现电压和电流的测量和 传输。
磁性元件面临的挑战
高温环境
随着开关电源工作温度的升高，磁性元件需要具备更高的耐热性能 和稳定性，防止高温下性能下降或失效。
电磁干扰
开关电源中的磁性元件会产生电磁干扰，对周围电路和设备产生影 响，需要采取有效的电磁屏蔽和噪声抑制措施。
可靠性问题
在高频、高温和复杂环境下，磁性元件的可靠性面临挑战，需要加 强元件的材料、结构和工艺等方面的研究。
感谢您的观看
未来磁性元件的研究方向
新材料研究
探索新型的磁性材料，如纳米材料、高磁导率材 料等，以提高磁性元件的性能和适应性。
集成化研究
研究磁性元件的集成化技术，实现多功能的集成 和优化，提高开关电源的整体性能。
智能化研究
研究磁性元件的智能化技术，实现自适应调节和 控制，提高开关电源的智能化水平。
THANKS FOR WATCHING
在开关电源中，磁性元件通常用于实现电压和电流的转换、储能和控制等功能，是开关电源的重要组成部分。
磁性元件的种类
变压器
用于实现电压和电流的转换，通常由两个或多个线圈 绕在磁芯上组成。
电感器
用于实现储能和控制，通常由线圈绕在磁芯上组成。
磁性材料
用于制造磁芯，常用的磁性材料有铁氧体、钕铁硼等。
磁性元件在开关电源中的作用
磁性元件的热设计
根据电源转换需求，设计变压器 的线圈匝数、绕组方式、铁芯尺 寸等参数，以实现电压和电流的
转换。
电感器设计
根据滤波和储能需求，设计电感器 的线圈匝数、绕组方式、磁芯尺寸 等参数，以实现电流的滤波和储能。
互感器设计
根据信号传输需求，设计互感器的 线圈匝数、绕组方式、磁芯尺寸等 参数，以实现电压和电流的测量和 传输。
磁性元件面临的挑战
高温环境
随着开关电源工作温度的升高，磁性元件需要具备更高的耐热性能 和稳定性，防止高温下性能下降或失效。
电磁干扰
开关电源中的磁性元件会产生电磁干扰，对周围电路和设备产生影 响，需要采取有效的电磁屏蔽和噪声抑制措施。
可靠性问题
在高频、高温和复杂环境下，磁性元件的可靠性面临挑战，需要加 强元件的材料、结构和工艺等方面的研究。
感谢您的观看
未来磁性元件的研究方向
新材料研究
探索新型的磁性材料，如纳米材料、高磁导率材 料等，以提高磁性元件的性能和适应性。
集成化研究
研究磁性元件的集成化技术，实现多功能的集成 和优化，提高开关电源的整体性能。
智能化研究
研究磁性元件的智能化技术，实现自适应调节和 控制，提高开关电源的智能化水平。
THANKS FOR WATCHING
在开关电源中，磁性元件通常用于实现电压和电流的转换、储能和控制等功能，是开关电源的重要组成部分。
磁性元件的种类
变压器
用于实现电压和电流的转换，通常由两个或多个线圈 绕在磁芯上组成。
电感器
用于实现储能和控制，通常由线圈绕在磁芯上组成。
磁性材料
用于制造磁芯，常用的磁性材料有铁氧体、钕铁硼等。
磁性元件在开关电源中的作用
磁性元件的热设计
磁性元件设计作业规范
1、目的
明确磁性元件设计的内容、设计标准，实现磁性元件的系列化、标准化、流程化及
易量产、低成本、高品质的目的。
2、范围
适用于本公司电源磁性元件设计的步骤及各步骤的设计要点与评审要求，适用
于进行磁性元件设计时进行规划或方案设计。
3、职责
3.1研发中心各设计专案工程师负责：负责初始参数及成品确认；
3.2研发中心磁性元件工程师:负责磁性元件参数及工艺结构评估和调整,并标准化；
5.1.3根据磁芯/骨架规格/PIN位图)确定:PCB布线；
5.1.4根据客户的要求与具体产品实用规格设计产品各参数:电压,功率,频率,占空比,电
流,初次级圈数/线径/有效电流/电阻等；
5.1.5根据产品的参数设计磁性元件图、申请料号、发行图纸；
5.1.6根据磁性元件图,制作样品；
5.1.7根据磁性样品；作性能及结构确认与各参数验证；
e)耐压测试；f)试作。
5.3磁性元件编码规则规范
5.3.1变压器类编码规则:略；
5.3.2电感类编码规则:略.
5.4磁性元件图纸设计制作规范
5.4.1根据产品品的绕线结构图制作电气原理图；
5.4.3根据产品的结构图/PCB结构制作外观图；
5.4.4.描述工艺注意事项；
5.4.5制作电气特性；
5.4.6列出材料规格；
5.4.7制作标签规范；
5.4.8列出图纸控制方式:版本,变更,编码,适用机型等。
6、参考文件
无
7、相关附件/表单
无
5.1.8根据确认与验证磁性的样品；标准化各电性参数并发行图纸请购样品及承认。
修订次
修订内容
修订日期
制定
审核
核准
5.2磁性元件各材料选定要求及检验要求
明确磁性元件设计的内容、设计标准，实现磁性元件的系列化、标准化、流程化及
易量产、低成本、高品质的目的。
2、范围
适用于本公司电源磁性元件设计的步骤及各步骤的设计要点与评审要求，适用
于进行磁性元件设计时进行规划或方案设计。
3、职责
3.1研发中心各设计专案工程师负责：负责初始参数及成品确认；
3.2研发中心磁性元件工程师:负责磁性元件参数及工艺结构评估和调整,并标准化；
5.1.3根据磁芯/骨架规格/PIN位图)确定:PCB布线；
5.1.4根据客户的要求与具体产品实用规格设计产品各参数:电压,功率,频率,占空比,电
流,初次级圈数/线径/有效电流/电阻等；
5.1.5根据产品的参数设计磁性元件图、申请料号、发行图纸；
5.1.6根据磁性元件图,制作样品；
5.1.7根据磁性样品；作性能及结构确认与各参数验证；
e)耐压测试；f)试作。
5.3磁性元件编码规则规范
5.3.1变压器类编码规则:略；
5.3.2电感类编码规则:略.
5.4磁性元件图纸设计制作规范
5.4.1根据产品品的绕线结构图制作电气原理图；
5.4.3根据产品的结构图/PCB结构制作外观图；
5.4.4.描述工艺注意事项；
5.4.5制作电气特性；
5.4.6列出材料规格；
5.4.7制作标签规范；
5.4.8列出图纸控制方式:版本,变更,编码,适用机型等。
6、参考文件
无
7、相关附件/表单
无
5.1.8根据确认与验证磁性的样品；标准化各电性参数并发行图纸请购样品及承认。
修订次
修订内容
修订日期
制定
审核
核准
5.2磁性元件各材料选定要求及检验要求
开关式电源中的磁性元件
100.00% 80.00% 60.00% 40.00% 20.00% 0.00%
1
2>
1>
3
5
Harmonic Number 谐波次数
7
9
11 13 15 17 19 21
1) CH1: 2) CH2:
2 00 V 5 ms 2 A 5 ms
In this case the harmonics are huge, because much of the power is concentrated in a short period of time in each cycle. 在这种情况下，谐波次数很大， 因为大部分的能量集中在每个周期一段很短 的时间内。
Preal 有功 (v ⋅ i )averaged over one cycle （一周期内的平均） PF = = Papparent 视在 Vrms ⋅ Irms
Where v and i are instantaneous values of voltage and current, and rms indicates the root-mean-squared value of the voltage or current. The apparent power (Vrms x Irms), in effect, limits the available output power. 其中v和i是电压和电流的瞬时值，rms代表电压或电流的均方根值 。视在功率（ Vrms x Irms ）实际上限制了可能的输出功率。
100,000
0.55
90
Mag. Am ps 磁 放大器
Note the wide range of permeability and power loss. 注意宽范围的磁导率和功耗。
1
2>
1>
3
5
Harmonic Number 谐波次数
7
9
11 13 15 17 19 21
1) CH1: 2) CH2:
2 00 V 5 ms 2 A 5 ms
In this case the harmonics are huge, because much of the power is concentrated in a short period of time in each cycle. 在这种情况下，谐波次数很大， 因为大部分的能量集中在每个周期一段很短 的时间内。
Preal 有功 (v ⋅ i )averaged over one cycle （一周期内的平均） PF = = Papparent 视在 Vrms ⋅ Irms
Where v and i are instantaneous values of voltage and current, and rms indicates the root-mean-squared value of the voltage or current. The apparent power (Vrms x Irms), in effect, limits the available output power. 其中v和i是电压和电流的瞬时值，rms代表电压或电流的均方根值 。视在功率（ Vrms x Irms ）实际上限制了可能的输出功率。
100,000
0.55
90
Mag. Am ps 磁 放大器
Note the wide range of permeability and power loss. 注意宽范围的磁导率和功耗。
磁性元件设计
磁性材料在应用中必须注意其居里点温度。一些铁氧体的居里点温度可以低 到130℃左右。解决的办法是在居里点和工作温度之间留有一个安全间隔.
2014/12/31
24
开关变换器建模、控制和设计 磁性材料
BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY
5)磁芯损耗 磁芯在最大磁感应强度时的单位体积损耗
2014/12/31
I
N
H
lc
H
B mr m0
lc
B m0
B mr m0
lc
mr
H
lc
mr
H
lc
1
mr lc
等效磁导率
me
mr
1
mr
lc
1
mr
1
lc
mr 1
lc
剩余磁感应强度
Br *
mem0 Hc
lc
m0 Hc
15
开关变换器建模、控制和设计 磁性材料
BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY
耗低、价格低，适合用于高频变压器磁芯。
28
开关变换器建模、控制和设计 磁性材料
6) 磁性材料的选择
BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY
开关电源的磁性材料 ：双向磁化变压器或谐振电感：锰锌铁氧体、非晶磁芯
电感扼流圈：铁粉芯、锰锌铁氧体、镍芯铁氧体、非晶磁芯
共模抑制器或尖峰抑制器：高导磁率的锰锌铁氧体、非晶磁芯等
近年来非晶态软磁材料和微晶软磁材料发展很快，由于它们的性能优良，加 工成形容易而受到人们的青睐。目前在十几KHz至几十KHz的中、大功率电力电 子装置中应用较广。在上百KHz领域及十KHz的小功率领域仍以铁氧体磁芯材料 为主。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2014/12/31
16
开关变换器建模、控制和设计
BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY
磁性材料
4) 磁性材料的分类
磁性材料按照磁化后去磁的难易程度，可分为: 硬磁性材料
硬磁材料是指那些经过饱和磁化后，即使去掉外部磁化磁场，材料中 的剩磁仍能长时间地保持磁化状态，并在周围空间产生长久不变的磁场 。
铁粉磁芯
碳基铁粉芯(C-Fe)
铁铝硅粉芯(Al-Si-Fe) 钼坡莫合金铁粉芯(Mo-Ni-Fe)
300MHz以下
1MHz以下 300kHz以下 1MHz以下
铁氧体磁芯
锰锌铁氧体(Mn-Zn-Fe)
镍锌铁氧体(Ni-Zn-Fe)
镁锌铁氧体(Mg-Zn-Fe)
2014/12/31
1MHz~200MHz
磁性材料
4) 磁性材料的分类
软磁性材料
2014/12/31
20
开关变换器建模、控制和设计
BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY
磁性材料
4) 磁性材料的分类
软磁性材料
锰锌铁氧体材料主要分为： 高频低功耗铁氧体（又称 功率铁氧体）； 高磁导率即高 μi 铁氧体。
2014/12/31
21
25MHz以下
22
开关变换器建模、控制和设计
BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY
磁性材料
4) 磁性材料的分类
TOROIDAL Magnetics
软磁性材料
TOROID
SOLID CENTER POST
2014/12/31
RM CORE
23
开关变换器建模、控制和设计
BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY
r
剩余磁感应强度
2014/12/31
Br * me m0 H c
lc
m0 H c
15
开关变换器建模、控制和设计
BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY
磁性材料
3) 电路中磁芯三种工作状态
第一类：双向磁化 第二类：单向磁化 第三类：单向磁化 变压器、交流滤波电感 单端变换器中的脉冲变压器 直流滤波电感
在200~300kHz，磁芯损耗可以表示为： 涡流损耗(Pe)
P f B T m V
损耗系数，V 磁芯体积
磁芯的电阻率大，涡流损耗小。
2014/12/31
， 分别为大于1的频率和磁感应损耗系数
25
开关变换器建模、控制和设计
BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY
m r m0
m0
m r m0
lc mr H lc mr
m H lc 1 r lc
等效磁导率
mr 1 m 1 lc me 1 mr 1 m l l r c c
2014/12/31 17
开关变换器建模、控制和设计
BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY
磁性材料
4) 磁性材料的分类
软磁性材料
铁、钴、镍三种铁磁性元素是构成磁性材料的基本单元。 1. 合金类：硅钢片，坡莫合金，非晶态和微晶态材料;
2. 粉芯类：磁粉心，包括：铁粉芯、铁硅铝粉芯(Kool Mm)、高磁通量粉芯(High Flux)、坡莫合金粉芯(MPP);
磁性材料
4) 磁性材料的分类
软磁材料应用的几个注意点
在低频(比如50Hz)应用中，一般铁氧体比不上性能优良的硅钢片。若在低频 时采用铁氧体磁芯，变压器的体积就非常大，因此在低频时，特别是工频时都采 用硅钢磁芯。在高频(比如20kHz)时叠层式硅钢片的涡流和磁滞损耗很大，铁氧 体则由于其高电阻率磁芯的损耗很低，因此在高频时通常用铁氧体磁芯。 近年来非晶态软磁材料和微晶软磁材料发展很快，由于它们的性能优良，加 工成形容易而受到人们的青睐。目前在十几KHz至几十KHz的中、大功率电力电 子装置中应用较广。在上百KHz领域及十KHz的小功率领域仍以铁氧体磁芯材料 为主。 负载电流较大时，磁芯的选择一般不直接选用高磁导率材料，通常选用磁导 率较低的材料，在选滤波扼流圈磁芯时更是如此。这是因为磁导率较低可以去掉 较大的有效空气隙。 磁性材料在应用中必须注意其居里点温度。一些铁氧体的居里点温度可以低 到130℃左右。解决的办法是在居里点和工作温度之间留有一个安全间隔.
F B IL
2) 磁导率m 是表征磁场中铁芯磁性能的物理量，可用来衡量
磁介质导磁能力。
3) 磁场强度H 某点磁感应强度B与磁导率μ的比值： H B / m 4) 磁通f 穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总和，即
2014/12/31
f BS
7
开关变换器建模、控制和设计
BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY
磁芯损耗：
2014/12/31
磁材品质 工作频率 温度 磁通密度 直流偏置 磁滞曲线形状
27
开关变换器建模、控制和设计
BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY
磁性材料
6) 磁性材料的选择
应用 变压器 低频：高Bs 高频：低Bs 高m 低Hc或低Br 低损耗 低损耗 低损耗 输出滤波电感 高Bs 宽恒定的m 高m 共模电感
基本参数
1) 磁感应强度B；
2) 磁导率m；
3) 磁场强度H；
4) 磁通f；
5) 温度系数；
6) 居里温度；
7) 电感因数AL；
2014/12/31 6
开关变换器建模、控制和设计
BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY
基本参数
1) 磁感应强度B
表征磁场中某一点的磁性强弱和 方向的矢量(右手定则 )
BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY
磁性材料
1) 磁滞回线(B-H曲线)
磁感应强度随外加磁 场强度的变化曲线 磁饱和特性 B达到Bs时，增大H，B不再增大。 磁化的不可逆性
磁化曲线与退磁曲线不重合特性。
磁滞现象 磁感应强度B 的改变滞后于磁场 强度H 的现象称为磁滞现象。
Bs:饱和磁感应强度Saturation Flux Density ；
开关变换器建模、控制和设计
BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY
磁性材料
4) 磁性材料的分类
大分类 主分类
软磁性材料
频率
合金磁芯
硅钢片(Si-Fe)
坡莫合金(Ni-Fe) 钴铁合金(Co-Fe) 非晶或超微晶合金(Fe \ Co)
400Hz以下
400Hz~8KHz 10kHz以下 50kHz~100kHz
基本参数
2) 磁导率m
绝对磁导率 相对磁导率 等效磁导率
m B/H
mr m / m0
真空磁导率
m0 4 107 H / m
带有气隙的磁芯或者非均匀横截面的磁芯中， 各段磁路中和气隙中的m值不同。通常用均匀的 环形磁芯的磁导率等效。
在闭合磁路中（漏磁可忽略），有效磁导率me为:
L l 7 me 10 4N 2 Ae
S型回线 高导磁率软磁材料
2014/12/31
矩形回线 坡莫合金软磁材料
扁平回线 宽恒导磁合金材料
14
开关变换器建模、控制和设计
BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY
磁性材料
2) 加气隙后磁滞回线的变化
I N H lc H B B lc B
开关变换器建模、控制和 设计
第六章磁性元器件设计
2014/12/31
开关变换器建模、控制和设计
BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY
电感和变压器
L NP NS
电感器 (Inductor) 电感量 L
变压器 (Transformer)
原副边匝数 比NP / NS
是否算出电感的L和变压器的NP / NS就可以了？
硬磁材料具有强大矫顽力和宽大的磁滞特性曲线。
软磁性材料
软磁材料是指那些插入通电绕组中，材料被磁化，使绕组周围的磁 场大大加强，而一旦去掉外部磁化电流，材料本身的磁性就非常小。
软磁材料具有小的矫顽力(coercive force)和高的初始磁 导率(initial permeability)，剩磁弱。
2014/12/31 2
开关变换器建模、控制和设计
BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY
目录
第六章 磁性元器件设计
6.1 基本知识
6.2 高频变压器设计 6.3 电感设计
2014/12/31 3
开关变换器建模、控制和设计
BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY
目录
第六章 磁性元器件设计
增量磁导率
表示该点附近磁感应强度 随磁场强度变化的情况。
m
B H
2014/12/31
9
开关变换器建模、控制和设计
BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY
基本参数
5) 温度系数
温度在T1～T2范围内变化时，温度每变化一度相应磁导率 的相对变化量，即： m2 m1 1 μ1、μ2分别是温度为 au (T2 T1 ) T1、T2时的磁导率。 m1 T2 T1 铁磁物质的磁化强度随温度过度升高将会下降，当达到某一 临界温度时，自发磁化（即磁畴）便消失，这一临界温度称 居里温度。 确定了磁性器件工作的上限温度。
6) 居里温度
7) 电感因数AL
2014/12/31
具有一定形状和尺寸的磁芯上每匝线圈产生的自感量 2 ，称为自感系数，即：