磁性元件设计
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
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；
PExprt教程中文
第十一步：选择磁心材料
磁性材料种类包括 • FERRITE • IRON POWDER
第十二步：开始设计过程
第十三步：观察设计结果
第十四步：观察性能结果
第十五步：观察构造结果
第十六步：查看报表
第十七步：生成模型
注意：在生成模型前，在菜单中选择File/Save将所有工程文件保存在指定文件夹里。
• 能计算出磁性元件的多种性能参数，包括磁 心损耗、绕组损耗、磁通密度、直流阻抗、 交流阻抗、电感量、漏磁和温升等
• 考虑了各种复杂效应对设计的影响，如趋肤 效应、临近效应等
两种设计方法
• 用PExprt直接设计 • 用PExprt的建模模块（PEmag）设计
方法一 第一步：创建新的工程文件
工程名命名规则
第十一步 察看结果
在菜单中选择Results/FEA based(2D),弹出表示计算结果 的图表。
• 第十二步：在菜单中选择Report Files查看 报表。
• 第十三步：将模型文件导入Simplorer，与 第一种方法相同。
谢谢！
磁性元件的计算机设计流程20069前言?磁性元件设计在开关电源中的重要性?磁性元件设计的难点?磁性元件的计算机设计方法pexprt简介?提供了多家国际大厂的磁心骨架绝缘材料和导线的标准库方便用户设计使用?可以设计电感多绕组变压器耦合电感以及反激元件等多种磁性元件?对设计参数进行优化包括磁心尺寸磁心材料绕组匝数气隙长度绕线规格并绕线股数?能计算出磁性元件的多种性能参数包括磁心损耗绕组损耗磁通密度直流阻抗交流阻抗电感量漏磁和温升等?考虑了各种复杂效应对设计的影响如趋肤效应临近效应等两种设计方法?用pexprt直接设计?用pexprt的建模模块pemag设计方法一第一步
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。
正激变换器磁性元件的设计
正激变换器磁性元件的设计第一部分：磁性元件的类型和基本原理变压器的基本原理是利用电磁感应的原理，在一个绕组中通过交流电产生的磁场感应到另一个绕组中，并将电能从输入端传递到输出端。
变压器的主要参数有变比、额定功率和损耗。
电感器也利用电磁感应的原理，但与变压器不同的是，电感器主要是利用自感效应而产生电能储存，并在需要时释放。
电感器的主要参数有电感值、电流能力和频率响应。
第二部分：正激变换器磁性元件的设计要求1.功率密度：功率密度指单位体积或单位重量的磁性元件所能承受的功率。
提高功率密度可以减小变压器和电感器的体积，同时保持其高效率和稳定性。
2.体积：正激变换器通常需要较小的体积，尤其在一些应用中，如手机充电器、电动汽车充电器等。
因此，设计磁性元件时需要追求尽可能小的体积。
3.效率：正激变换器的效率对于节能和降低损耗至关重要。
磁性元件的设计应该追求高效率，减小能量损耗，提高能量利用率。
4.成本：磁性元件的设计还要考虑成本因素。
在设计过程中，要找到平衡点，以确保磁性元件的性能符合要求，但同时又不引起过高的成本。
第三部分：磁性元件的具体设计步骤1.确定输入和输出电压/电流：根据具体应用需求，确定输入和输出的电压/电流。
2.计算变比或电感值：根据输入和输出的电压/电流，计算变比或电感值。
变比的计算可以根据功率守恒定律，通过功率关系计算得到；电感值的计算可以通过所需的电流和频率计算得到。
3.选择磁性材料：根据变比或电感值，选择合适的磁性材料。
常用的磁性材料有铁氧体、铁氧体软磁材料、铁氧体硬磁材料等。
选择合适的磁性材料可以提高变压器或电感器的性能。
4.计算磁路参数：根据选择的磁性材料，计算磁路参数。
磁路参数包括磁路长度、磁导率和横截面积等。
5.计算绕组匝数和线径：根据输入和输出的电压/电流、变比或电感值，计算变压器或电感器绕组的匝数和线径。
绕组的匝数和线径的选择直接影响磁性元件的性能和效率。
6.验算和优化：根据设计结果，进行验算和优化。
正激变换器磁性元件的设计
正激变换器磁性元件的设计正激变换器磁性元件除了变压器外，还有一个电感器，即扼流圈。
一般的资料上都是从变压器开始算起的，但本人认为应该从电感器开始算起比较好，这样比较明了，思维可以比较清楚。
因为正激变换器起源于BUCK变换器，而BUCK变换器，其功率的心脏是储能电感，因此，正激变换器的功率心脏是扼流圈，而不是变压器，变压器只有负责变电压，并没有其它的功能，功率传输靠得是电感。
当然一般书上从变压器算起，也未尝不可，但这样算，思路不是很明确，也不容易让读者理解。
下面我演示一下我的算法，希望对读者能有所帮助。
电感器的设计首先，以滤波电感为研究对象，进行研究。
在一个周期中，开关管开通的时候，滤波电感两端被加上一个电压，其电流不是突变的，而是线性的上升的，有公式I=V*TON/L，这几项分别表示电感电流的增量，输入电压，开通时间，电感量。
而这个电压是变压器副边放出的。
在开关管关断的时候，电感器以一个恒定的电压放电，其电流即会线性的下降，同样遵守这个公式，即I=V o*TOFF/L，一个周期中，放电电流等于充电电流，所以上两式相等，再用1-D代替TOFF，D代替TON，于是从上两式中得到V o=V*D。
画出电感两端的电压电流波形如下图。
电感两端电压电流波形上有电流波形，下为电压波形。
所以，我设计的第一步就是确定这个原边电流的波形。
第一步，确定电感充电电压值。
首先，确定开关管开通的时候，加在电感器两端的电压V，这个电压由设计者自己设定，选定这个电压后，最大占空比D即确定了。
第二步，设定电感电流的脉动值IR，不妨自己把电感电流的曲线图画出来，大概和上面的相似。
然后再选定一个脉动电流的值，即上升了的电流或是下降的电流的值。
因为输出功率和输出电压是已知的，那么平均电流值IO就是知道的。
第三步，根据上面的条件，确定这个电流的波形。
要确定这个波形，要知道其峰值IP吧，上面的条件已经足够求出这个峰值了，有方程式IR/2+（IP-IR）=IO，解出IP=IO+IR/2第四步，设定电感量。
开关电源中的磁性元
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。
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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
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
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2014/12/31
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开关变换器建模、控制和设计 磁性材料
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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。
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2014/12/31
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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
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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
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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。
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开关变换器建模、控制和设计 磁性材料
5)磁芯损耗
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磁芯损耗的 温度特性
温度对铁氧体的损耗影响很大；
不同材料有不同的温度特性曲线；
设计时注意工作温度范围；
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开关变换器建模、控制和设计 磁性材料
6) 磁性材料的选择
应用
磁芯性能要 求
变压器
低频：高Bs 高频：低Bs
高m 低Hc或低Br
低损耗
输出滤波电感 高Bs
宽恒定的m
共模电感 高m
低损耗
低损耗
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举例1.双向磁化变压器：
磁感应在Bm之间变化，一般取Bm<Bs，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
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3) 电路中磁芯三种工作状态
第一类：双向磁化 变压器、交流滤波电感
第二类：单向磁化 第三类：单向磁化
单端变换器中的脉冲变压器 直流滤波电感
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开关变换器建模、控制和设计 磁性材料
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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；
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开关变换器建模、控制和设计 基本参数
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1) 磁感应强度B
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开关变换器建模、控制和设计 目录
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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
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开关变换器建模、控制和设计 目录
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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。
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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
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铁、钴、镍三种铁磁性元素是构成磁性材料的基本单元。
空载损耗、减小励磁电流，应有高磁导率。
功率铁氧体在高频下具有很高的电阻率，因而涡流损
耗低、价格低，适合用于高频变压器磁芯。
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开关变换器建模、控制和设计 磁性材料
6) 磁性材料的选择
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
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开关变换器建模、控制和设计 6.1 基本知识
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基本参数 磁性材料 磁路基本定律 电导体的设计
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开关变换器建模、控制和设计 基本参数
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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。
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Bs:饱和磁感应强度Saturation Flux Density ；
开关变换器建模、控制和 设计
第六章磁性元器件设计
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开关变换器建模、控制和设计 电感和变压器
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L
电感器 (Inductor)
电感量 L
变压器 (Transformer)
原副边匝数 比NP / NS
NP NS
是否算出电感的L和变压器的NP / NS就可以了？
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
。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。
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。
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开关变换器建模、控制和设计 磁性材料
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4) 磁性材料的分类 软磁性材料
大分类 合金磁芯
铁粉磁芯 铁氧体磁芯
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主分类 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) 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) 锰锌铁氧体(Mn-Zn-Fe) 镍锌铁氧体(Ni-Zn-Fe) 镁锌铁氧体(Mg-Zn-Fe)
5)磁芯损耗
磁芯损耗模型—Setinmetz Model
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2014/12/31
磁芯损耗：
磁材品质 工作频率 温度 磁通密度 直流偏置 磁滞曲线形状
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开关变换器建模、控制和设计 磁性材料
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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
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开关变换器建模、控制和设计 磁性材料
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开关变换器建模、控制和设计 基本参数
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2) 磁导率m
绝对磁导率 相对磁导率
m B/H mr m / m0
真空磁导率
m0 4 107 H / m
等效磁导率
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
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.
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开关变换器建模、控制和设计 磁性材料
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5)磁芯损耗 磁芯在最大磁感应强度时的单位体积损耗
环形磁芯的磁导率等效。
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在闭合磁路中（漏磁可忽略），有效磁导率me为:
me
L
4N 2
l Ae
107
L：线圈自感、N：线圈匝数 Ae：磁芯截面积、l：磁路长度 8
开关变换器建模、控制和设计
基本参数
2)磁导率m
初始磁导率 最大磁导率
磁性材料磁化曲线始端
磁导率的极限值: mi
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开关变换器建模、控制和设计 磁性材料
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