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1、磁性元件是磁性元件是储能储能、能量转换能量转换及及电气隔离电气隔离所必备的电力电子器所必备的电力电子器件；件；磁性元件主要包括磁性元件主要包括变压器变压器和和电电感感两大类；两大类；磁性元件由磁性元件由铁芯铁芯和和绕组绕组构成。构成。一、概述一、概述第四讲第四讲 磁性元件的设计磁性元件的设计1体积和重量分别占总体积体积和重量分别占总体积的的20%-30%，占总重量的，占总重量的30%-40%；参数选择影响输入输出的参数选择影响输入输出的纹波和系统动态特性；纹波和系统动态特性；寄生参数影响器件的电流寄生参数影响器件的电流应力和电压应力；应力和电压应力；损耗影响整机的变换效率。损耗影响整机的变换效
2、率。磁性元件需要综合考虑系统磁性元件需要综合考虑系统的的成本成本、体积体积、重量重量和和性能性能指标要求指标要求，其无法由市场上，其无法由市场上买到的，必须买到的，必须专门设计专门设计。2二、磁性材料的基本知识二、磁性材料的基本知识1、磁滞回线、磁滞回线反复磁化时，铁芯中反复磁化时，铁芯中任一点的磁感应强度任一点的磁感应强度B与磁场强度与磁场强度H之间的之间的关系曲线关系曲线B=f(H)。基本磁化曲线基本磁化曲线3真空的绝对磁导率：真空的绝对磁导率：2、磁导率、磁导率相同的磁场强度相同的磁场强度H，在不，在不同的磁介质中产生的磁感同的磁介质中产生的磁感应强度应强度B是不同的，即不是不同的，即不
3、同介质导磁能力不一样。同介质导磁能力不一样。磁场磁场介质介质非铁磁材料（如空气、油等）非铁磁材料（如空气、油等）=0铁磁材料（如：铁、镍等）铁磁材料（如：铁、镍等）0绝对磁导率绝对磁导率4相对磁导率相对磁导率1.具有气隙或者非均匀截面的铁具有气隙或者非均匀截面的铁芯，各段磁路中的芯，各段磁路中的值值不同。不同。2.常用环形均匀铁芯来等效，其常用环形均匀铁芯来等效，其磁导率即为磁导率即为等效磁导率等效磁导率e。初始磁导率初始磁导率i和最大磁导率和最大磁导率m均为相对磁导率。均为相对磁导率。等效磁导率等效磁导率53、居里温度、居里温度4、电感系数、电感系数电感系数电感系数：铁芯上绕：铁芯上绕1匝线
4、圈产生的自感量。匝线圈产生的自感量。电感电感铁磁铁磁材料材料顺磁体顺磁体=0 （温度（温度高于高于居里温度）居里温度）铁磁体铁磁体 0 （温度（温度低于低于居里温度）居里温度）65、加气隙后磁滞回线的变化、加气隙后磁滞回线的变化有气隙有气隙添加气隙后，等效磁导率添加气隙后，等效磁导率下降，导致下降，导致B=f(H)的斜率的斜率变小。变小。无气隙无气隙7磁路中任意一点的磁密都相等。当磁通密度达到该铁磁路中任意一点的磁密都相等。当磁通密度达到该铁芯材料的芯材料的Bs时，铁芯就会饱和，与是否有气隙无关。时，铁芯就会饱和，与是否有气隙无关。因此，无论气隙多大，铁芯磁饱和时的磁密不会变。因此，无论气隙多
5、大，铁芯磁饱和时的磁密不会变。86、铁芯储能、铁芯储能若为线性磁路，则可视为线性电感。若为线性磁路，则可视为线性电感。97、铁芯损耗、铁芯损耗磁滞损耗磁滞损耗10交变磁场在在铁芯中引起涡流，交变磁场在在铁芯中引起涡流，从而产生从而产生涡流损耗涡流损耗Qe，其与交变其与交变频率、钢带厚度和电阻率有关。频率、钢带厚度和电阻率有关。磁滞损耗磁滞损耗Qh正比于正比于铁芯的铁芯的磁滞磁滞回线的面积回线的面积。B铁耗铁耗铜耗铜耗磁滞损耗磁滞损耗涡流损耗涡流损耗磁性元磁性元件损耗件损耗涡流损耗涡流损耗11三、铁芯的工作状态三、铁芯的工作状态1、分类、分类励磁励磁方式方式双向磁化双向磁化第第类类单向磁化单向磁
6、化第第类类第第类类变压器、交流滤波电感变压器、交流滤波电感单端变换器中的变压器单端变换器中的变压器直流滤波电感直流滤波电感122、第、第类工作状态类工作状态铁芯线圈的外加铁芯线圈的外加纯交流励磁电压纯交流励磁电压u，励磁电流双向流动励磁电流双向流动。13S+为电压为电压u在在(0-T/2)区间内的积分，也即：区间内的积分，也即：u波形与横波形与横轴（轴（0-T/2）包围区域的面积，其单位（伏秒）。）包围区域的面积，其单位（伏秒）。t:(0-T/2)t:(T/2-T)同理，有：同理，有：14只要只要伏秒平衡伏秒平衡，则铁芯，则铁芯必能必能磁复位磁复位。若铁芯磁化能进入稳态，则伏秒必定是平衡的。若
7、铁芯磁化能进入稳态，则伏秒必定是平衡的。磁通变化量为磁通变化量为两倍最大磁通两倍最大磁通。153、第、第类工作状态类工作状态铁芯的铁芯的励磁电流单励磁电流单方向流动方向流动。选选Bs高的铁芯；高的铁芯；铁芯开气隙，以铁芯开气隙，以降低降低Br。铁芯利用率很低铁芯利用率很低164、第、第类工作状态类工作状态励磁电流单方向流动励磁电流单方向流动。励磁电流的交流分量很小，励磁电流的交流分量很小，铁耗很小，主要是铜耗。铁耗很小，主要是铜耗。励磁电流的直流分量很大，励磁电流的直流分量很大，为了避免铁芯饱和，需要添为了避免铁芯饱和，需要添加气隙。加气隙。17四、常用的铁芯材料四、常用的铁芯材料1、冷压硅钢
8、带、冷压硅钢带Bs很大，约为很大，约为0.61.9T工作频率不高于工作频率不高于1kHz，适用于电力变压器和交适用于电力变压器和交流电感。流电感。50Hz-0.35mm400Hz-0.2mm1kHz-0.1mm损耗与含硅量、厚度和损耗与含硅量、厚度和工作频率有关。工作频工作频率有关。工作频率高，则选高硅薄带。率高，则选高硅薄带。182、软磁铁氧体、软磁铁氧体陶瓷陶瓷磁性材料，呈暗灰色或者黑色，质地非常坚硬、磁性材料，呈暗灰色或者黑色，质地非常坚硬、脆而易碎脆而易碎。分为。分为锰锌铁氧体锰锌铁氧体或或镍锌铁氧体镍锌铁氧体。电阻率是硅钢片的百万倍，涡流损耗极小，工作频电阻率是硅钢片的百万倍，涡流损
9、耗极小，工作频率可达率可达几几kHz几千几千kHz，适用于，适用于小功率小功率、高频功、高频功率变压器、谐振电感和直流滤波电感。率变压器、谐振电感和直流滤波电感。Bs较低，一般较低，一般不超过不超过0.5T，且随温度上升而明显下且随温度上升而明显下降降。居里温度较低居里温度较低，一般低于，一般低于350。主要厂家有：主要厂家有：康达、金宁、康达、金宁、飞利浦、飞利浦、TDK等。等。19环形环形没有气隙，散磁少但容易饱和；没有气隙，散磁少但容易饱和；结构简单，不需要骨架，适合自己绕制；结构简单，不需要骨架，适合自己绕制；窗口宽，散热条件好！窗口宽，散热条件好！矩形截面，不适合粗导线绕线！矩形截面
10、，不适合粗导线绕线！线圈均匀绕在铁芯上，最适合做电感！线圈均匀绕在铁芯上，最适合做电感！铁氧体铁芯在通信电源和开关电源中应用十分广泛，铁氧体铁芯在通信电源和开关电源中应用十分广泛，其结构形式多种多样，需要根据应用场合进行相应的其结构形式多种多样，需要根据应用场合进行相应的选择。选择。罐形罐形圆柱形截面，绕线匝长较矩形截面短；圆柱形截面，绕线匝长较矩形截面短；罐体可以很好的磁屏蔽；罐体可以很好的磁屏蔽；线圈之间耦合较好，漏磁极小；线圈之间耦合较好，漏磁极小；窗口宽度小，不好散热，适合小功率；窗口宽度小，不好散热，适合小功率；出线缺口小，引出线困难！出线缺口小，引出线困难！20EE形形EI形形截面
11、积很大，窗口宽，可以减少匝数和层数，漏磁小；截面积很大，窗口宽，可以减少匝数和层数，漏磁小；形状简单，规格齐全、便于设计；形状简单，规格齐全、便于设计；窗口面积大，易于出线和散热，适合大功率场合；窗口面积大，易于出线和散热，适合大功率场合；矩形截面，易并列扩展功率，但不适合粗导线绕线；矩形截面，易并列扩展功率，但不适合粗导线绕线；EC/ETD形形形状简单，便于设计；形状简单，便于设计；圆形截面，导线长度减小，铜耗减小，圆形截面，导线长度减小，铜耗减小，且适合粗导线绕线；且适合粗导线绕线；线圈耦合较好，漏磁较小。线圈耦合较好，漏磁较小。213、磁粉芯、磁粉芯u内部有很多非铁磁材料，相当于开了气隙
12、，因此相内部有很多非铁磁材料，相当于开了气隙，因此相对磁导率很低，约为对磁导率很低，约为10500。u不需要另外开气隙，不易饱和，能存储很大能量，不需要另外开气隙，不易饱和，能存储很大能量，适合做储能电感和反激变压器的铁芯。适合做储能电感和反激变压器的铁芯。u等效气隙宽度是变化等效气隙宽度是变化的，因此等效磁导率的，因此等效磁导率非线性，非线性，B-H曲线没曲线没有线性区，而是缓慢有线性区，而是缓慢进入饱和。进入饱和。将极细的磁性材料粉末和非铁磁材料混将极细的磁性材料粉末和非铁磁材料混合在一起，模压、固化成合在一起，模压、固化成环型铁芯环型铁芯。22铁粉芯铁粉芯p 由铁粉和有机材料粘合而成；由
13、铁粉和有机材料粘合而成；p 相对磁导率为相对磁导率为1075之间；之间；p 成本很低；成本很低；p 材料很软；材料很软；p 铁芯损耗相当大。铁芯损耗相当大。铁硅铝铁硅铝p 由由6%的铝、的铝、9%的硅和的硅和85%的铁组成；的铁组成；p 相对磁导率为相对磁导率为26、60、75、90和和125；p 成本较低；成本较低；p 材料硬；材料硬；p 铁芯损耗较小。铁芯损耗较小。应用较广！没人用啦！23铁镍磁粉芯铁镍磁粉芯p 50%铁粉和铁粉和50%的镍粉粘合而成；的镍粉粘合而成；p 相对磁导率为相对磁导率为14200之间；之间；p 成本很高；成本很高；p 磁通密度最高，达磁通密度最高，达1.5T；p
14、铁芯损耗介于铁硅铝和铁粉芯之间。铁芯损耗介于铁硅铝和铁粉芯之间。MPP粉末芯粉末芯p 由由2%的钼、的钼、81%的镍和的镍和17%的铁组成；的铁组成；p 相对磁导率为相对磁导率为14550；p 价格昂贵；价格昂贵；p 温度稳定性最佳；温度稳定性最佳；p 铁芯损耗最小；铁芯损耗最小；p 磁通密度最低。磁通密度最低。用于军品！用于军品！244、铁镍软磁合金（坡莫合金）、铁镍软磁合金（坡莫合金）p 相对磁导率极高，一般在相对磁导率极高，一般在20000以上；以上；p 极低的矫顽力，磁滞回线很窄，磁滞损耗很小；极低的矫顽力，磁滞回线很窄，磁滞损耗很小；p 矩形比矩形比Br/Bm很高，适合做变压器；很高
15、，适合做变压器；p 温度稳定好，但是价格较高；温度稳定好，但是价格较高；p 电阻率非常低，涡流损耗大，适合几电阻率非常低，涡流损耗大，适合几kHz的场的场 合；为了减小涡流损耗，一般碾压成带料。合；为了减小涡流损耗，一般碾压成带料。p 超级坡莫合金超级坡莫合金IJ851可以工作于可以工作于100kHz，其铁耗，其铁耗 小于铁氧体。小于铁氧体。255、非晶合金和微晶合金、非晶合金和微晶合金采用冷却速度大约为采用冷却速度大约为106/s的超急冷凝固技术，从的超急冷凝固技术，从钢液到薄带成品一次成型。由于合金凝固时原子来钢液到薄带成品一次成型。由于合金凝固时原子来不及有序排列结晶，故没有晶粒存在，称
16、为不及有序排列结晶，故没有晶粒存在，称为非晶态非晶态合金合金，也称，也称金属玻璃金属玻璃。太贵太贵低廉低廉266、宽恒导磁合金、宽恒导磁合金p 在很宽的磁场强度范围内具有恒定的磁导率；在很宽的磁场强度范围内具有恒定的磁导率；p Bs很高；很高；p 不用开气隙，设计简单，且不用开气隙，设计简单，且EMI小；小；p 电阻率高，涡流损耗小，适合高频工作。电阻率高，涡流损耗小，适合高频工作。p 适合做高频电感和反激变换器铁芯。适合做高频电感和反激变换器铁芯。太棒了！27总总 结结硅钢片硅钢片：大功率（：大功率（5kW）、低频（）、低频（50Hz-400Hz）铁氧体铁氧体：中小功率（：中小功率（1kW）
17、、高频（几十）、高频（几十kHz-几百几百 kHz）磁粉芯磁粉芯：非线性电感，中小功率（：非线性电感，中小功率（1kW）、中频、中频 （几（几kHz-几十几十kHz）宽恒导宽恒导：电感，中小功率、高频（几十：电感，中小功率、高频（几十kHz）铁基非晶铁基非晶：类似于硅钢片：类似于硅钢片钴基非晶钴基非晶：小功率（：小功率（250W）、高频（几十）、高频（几十kHz-几几 百百kHz）铁镍基非晶铁镍基非晶：中小功率（：中小功率（1kW）、高频（几十）、高频（几十kHz）28五、变压器和电感的设计五、变压器和电感的设计1、集肤效应、集肤效应导线中流过交变电流时，导线横截面上的电流分布不导线中流过交变
18、电流时，导线横截面上的电流分布不均匀，内部电流密度小，而边缘部分的电流密度大。均匀，内部电流密度小，而边缘部分的电流密度大。p 导线有效截面积减小，电阻增大。导线有效截面积减小，电阻增大。p 与交变频率有关，频率越大，效与交变频率有关，频率越大，效 应越显著。应越显著。p 常用穿透深度常用穿透深度来表征有效截面来表征有效截面 积减少的程度。积减少的程度。p 绕组导线线径小于绕组导线线径小于2倍穿透深度。倍穿透深度。292、漏磁、漏磁只穿过一次绕组，不穿过二次绕组的磁通称为只穿过一次绕组，不穿过二次绕组的磁通称为一次侧一次侧漏磁通漏磁通；只穿过二次绕组，不穿过一次绕组的磁通称；只穿过二次绕组，不
19、穿过一次绕组的磁通称为为二次侧漏磁通二次侧漏磁通。p 用漏感来表征漏磁，其导致很大的电压尖峰。用漏感来表征漏磁，其导致很大的电压尖峰。p 选择合适的铁芯结构：罐形、环形或者选择合适的铁芯结构：罐形、环形或者EC/ETD型。型。p 采用恰当的绕制方法：采用恰当的绕制方法：原副边夹绕原副边夹绕、减小匝数、增、减小匝数、增 加绕组的高度、减小绕组厚度。加绕组的高度、减小绕组厚度。303、直流滤波电感的设计、直流滤波电感的设计电感量电感量L、电流平均值、电流平均值Iav、电流、电流纹波纹波 I。设计前已知的物理量设计前已知的物理量设计步骤（带气隙铁芯）设计步骤（带气隙铁芯）p 铁芯工作在第铁芯工作在第
20、种工作状态；种工作状态；p 电流中存在很大的直流分量；电流中存在很大的直流分量；p 铁芯中存在较大的直流偏磁；铁芯中存在较大的直流偏磁；p 为避免饱和，采用加气隙铁芯为避免饱和，采用加气隙铁芯 或者宽恒导磁合金铁芯；或者宽恒导磁合金铁芯；p 铁耗很小，饱和限制铁耗很小，饱和限制Bm选择。选择。31第一步：选择铁芯型号第一步：选择铁芯型号根据选择的铁芯材料，确定最根据选择的铁芯材料，确定最大工作电流大工作电流Im对应的磁密对应的磁密Bm。第二步：计算绕组匝数第二步：计算绕组匝数添加了气隙，磁路不饱和，因添加了气隙，磁路不饱和，因此为线性。此为线性。32第三步：计算气隙长度第三步：计算气隙长度带气
21、隙铁芯的磁阻即为气隙磁带气隙铁芯的磁阻即为气隙磁阻。阻。矩形芯柱矩形芯柱圆形芯柱圆形芯柱第四步：校验气隙长度第四步：校验气隙长度合理气隙长度合理气隙长度33第五步：计算导体尺寸第五步：计算导体尺寸由于电流主要为直流分量，交流由于电流主要为直流分量，交流分量很小，所以忽略集肤效应；分量很小，所以忽略集肤效应；其电流有效值近似为电流平均值。其电流有效值近似为电流平均值。导体截面积导体截面积第六步：校验窗口面积第六步：校验窗口面积344、桥式变换器的高频变压器设计、桥式变换器的高频变压器设计p 铁芯工作在第铁芯工作在第种工作种工作 状态；状态；p B=2Bm；p 铁耗较大；铁耗较大；p 采用铁氧体或
22、者铁基微采用铁氧体或者铁基微 晶铁芯。晶铁芯。输入电压：输入电压：Uin,minUin,max输出电压：输出电压：Uo输出电流：输出电流：Io,max=Po,max/Uo开关频率：开关频率：fs最大占空比：最大占空比：Dmax设计前已知的物理量设计前已知的物理量35第一步：选择铁芯型号第一步：选择铁芯型号根据选择的铁芯材料，确定最大根据选择的铁芯材料，确定最大工作磁密工作磁密Bm。开关频率开关频率50kHz此时铁耗较小，饱和限制磁密此时铁耗较小，饱和限制磁密选择。选择。若没有软启动，则选前者；若若没有软启动，则选前者；若已有软启动，则选后者。已有软启动，则选后者。36开关频率开关频率50kHz
23、此时铁耗明显增大，所以铁此时铁耗明显增大，所以铁耗限制磁密选择。耗限制磁密选择。按照工作频率，在磁按照工作频率，在磁芯损耗曲线上按比损芯损耗曲线上按比损耗耗100200kW/m3选选择择B。37第二步：计算绕组匝数第二步：计算绕组匝数计算原边匝数计算原边匝数38最低输入电压且最大负载时达到最大占空比。为了保最低输入电压且最大负载时达到最大占空比。为了保证能在任何输入电压下都能输出所要求电压，变压器证能在任何输入电压下都能输出所要求电压，变压器的匝数必须在最低输入电压、额定输出电流下设计。的匝数必须在最低输入电压、额定输出电流下设计。计算副边匝数计算副边匝数半波整流半波整流39全桥整流全桥整流4
24、0倍流整流倍流整流41第三步：计算导体尺寸第三步：计算导体尺寸由于电流主要为交流分量，必须由于电流主要为交流分量，必须考虑集肤效应。考虑集肤效应。导体截面积导体截面积第四步：校验窗口面积第四步：校验窗口面积425、单端正激变换器的高频变压器设计、单端正激变换器的高频变压器设计p 铁芯工作在第铁芯工作在第种工作种工作 状态；状态；p B=Bm-Br；p 铁耗较大；铁耗较大；p 采用铁氧体或者铁基微采用铁氧体或者铁基微 晶铁芯。晶铁芯。输入电压：输入电压：Uin,minUin,max输出电压：输出电压：Uo输出电流：输出电流：Io,max=Po,max/Uo开关频率：开关频率：fs最大占空比：最大
25、占空比：Dmax设计前已知的物理量设计前已知的物理量43第一步：选择铁芯型号第一步：选择铁芯型号根据选择的铁芯材料，确定最大根据选择的铁芯材料，确定最大工作磁密工作磁密Bm。开关频率开关频率50kHz此时铁耗较小，饱和限制磁密此时铁耗较小，饱和限制磁密选择。选择。若没有软启动，则选前者；若若没有软启动，则选前者；若已有软启动，则选后者。已有软启动，则选后者。44开关频率开关频率50kHz此时铁耗明显增大，所以铁此时铁耗明显增大，所以铁耗限制磁密选择。耗限制磁密选择。按照工作频率，在磁按照工作频率，在磁芯损耗曲线上按比损芯损耗曲线上按比损耗耗100200kW/m3选选择择B。45第二步：计算绕组匝数第二步：计算绕组匝数计算原边匝数计算原边匝数46计算副边匝数计算副边匝数47第三步：计算导体尺寸第三步：计算导体尺寸由于电流主要为交流分量，必须由于电流主要为交流分量，必须考虑集肤效应。考虑集肤效应。导体截面积导体截面积第四步：校验窗口面积第四步：校验窗口面积48