選用磁性器件中磁芯的設計原理

2021-01-08 電子產品世界

開關電源中使用的磁性器件較多,其中常用的軟磁器件有:作為開關電源核心器件的主變壓器(高頻功率變壓器)、共模扼流圈、高頻磁放大器、濾波阻流圈、尖峰信號抑制器等。不同的器件對材料的性能要求各不相同,如表所示為各種不同器件對磁性材料的性能要求。

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(一)、高頻功率變壓器

變壓器鐵芯的大小取決於輸出功率和溫升等。變壓器的設計公式如下:

P=KfNBSI×10-6T=hcPc+hWPW

其中,P為電功率;K為與波形有關的係數;f為頻率;N為匝數;S為鐵芯面積;B為工作磁感;I為電流;T為溫升;Pc為鐵損;PW為銅損;hc和hW為由實驗確定的係數。

由以上公式可以看出:高的工作磁感B可以得到大的輸出功率或減少體積重量。但B值的增加受到材料的Bs值的限制。而頻率f可以提高几個數量級,從而有可能使體積重量顯著減小。而低的鐵芯損耗可以降低溫升,溫升反過來又影響使用頻率和工作磁感的選取。一般來說,開關電源對材料的主要要求是:儘量低的高頻損耗、足夠高的飽和磁感、高的磁導率、足夠高的居裡溫度和好的溫度穩定性,有些用途要求較高的矩形比,對應力等不敏感、穩定性好,價格低。單端式變壓器因為鐵芯工作在磁滯回線的第一象限,對材料磁性的要求有別於前述主變壓器。它實際上是一隻單端脈衝變壓器,因而要求具有大的B=Bm-Br,即磁感Bm和剩磁Br之差要大; 同時要求高的脈衝磁導率。特別是對於單端反激式開關主變壓器,或稱儲能變壓器,要考慮儲能要求。

線圈儲能的多少取決於兩個因素: 一個是材料的工作磁感Bm值或電感量L, 另一個是工作磁場Hm或工作電流I,儲能W=1/2LI2。這就要求材料有足夠高的Bs值和合適的磁導率,常為寬恆導磁材料。對於工作在±Bm之間的變壓器來說,要求其磁滯回線的面積,特別是在高頻下的回線面積要小,同時為降低空載損耗、減小勵磁電流,應有高磁導率,最合適的為封閉式環形鐵芯,其磁滯回線見圖所示,這種鐵芯用於雙端或全橋式工作狀態的器件中。

通常,金屬晶態材料要降低高頻下的鐵損是不容易的,而對於非晶合金來說,它們由於不存在磁晶各向異性、金屬夾雜物和晶界等,此外它不存在長程有序的原子排列,其電阻率比一般的晶態合金高2-3倍,加之快冷方法一次形成厚度15-30微米的非晶薄帶,特別適用於高頻功率輸出變壓器。已廣泛應用於逆變弧焊電源、單端脈衝變壓器、高頻加熱電源、不停電電源、功率變壓器、通訊電源、開關電源變壓器和高能加速器等鐵芯,在頻率20-50kHz、功率50kW以下,是變壓器最佳磁芯材料。

近年來發展起來的新型逆變弧焊電源單端脈衝變壓器,具有高頻大功率的特點,因此要求變壓器鐵芯材料具有低的高頻損耗、高的飽和磁感Bs和低的Br以獲得大的工作磁感B,使焊機體積和重量減小。常用的用於高頻弧焊電源的鐵芯材料為鐵氧體,雖然由於其電阻率高而具有低的高頻損耗, 但其溫度穩定性較差,工作磁感較低,變壓器體積和重量較大,已不能滿足新型弧焊機的要求。採用納米晶環形鐵芯後,由於其具有高的Bs 值(Bs>1.2T),高的ΔB 值(ΔB>0.7T),很高的脈衝磁導率和低的損耗,頻率可達100kHz. 可使鐵芯的體積和重量大為減小。近年來逆變焊機已應用納米晶鐵芯達幾萬隻,用戶反映用納米晶變壓器鐵芯再配以非晶高頻電感製成的焊機,不僅體積小、重量輕、便於攜帶,而且電弧穩定、飛濺小、動態特性好、效率高及可靠性高。這種環形納米晶鐵芯還可用於中高頻加熱電源、脈衝變壓器、不停電電源、功率變壓器、開關電源變壓器和高能加速器等裝置中。可根據開關電源的頻率選用磁芯材料。

環形納米晶鐵芯具有很多優點,但它也有繞線困難的不利因素。為了在匝數較多時繞線方便,可選用高頻大功率C 型非晶納米晶鐵芯。採用低應力粘結劑固化及新的切割工藝製成的非晶納米晶合金C 型鐵芯的性能明顯優於矽鋼C 型鐵芯。目前這種鐵芯已批量用於逆變焊機和切割機等。逆變焊機主變壓器鐵芯和電抗器鐵芯系列有: 120A、160A、200A、250A、315A、400A、500A、630A 系列。

(二)、脈衝變壓器鐵芯

脈衝變壓器是用來傳輸脈衝的變壓器。當一系列脈衝持續時間為td (μs)、脈衝幅值電壓

為Um (V)的單極性脈衝電壓加到匝數為N 的脈衝變壓器繞組上時,在每一個脈衝結束時,鐵芯中的磁感應強度增量ΔB (T)為: ΔB = Um td / NSc × 10-2 其中Sc為鐵芯的有效截面積(cm2)。即磁感應強度增量ΔB 與脈衝電壓的面積(伏秒乘積)成正比。對輸出單向脈衝時,ΔB=Bm-Br , 如果在脈衝變壓器鐵芯上加去磁繞組時,ΔB = Bm + Br 。在脈衝狀態下,由動態脈衝磁滯回線的ΔB 與相應的ΔHp 之比為脈衝磁導率μp。理想的脈衝波形是指矩形脈衝波,由於電路的參數影響,實際的脈衝波形與矩形脈衝有所差異,經常會發生畸變。比如脈衝前沿的上升時間tr 與脈衝變壓器的漏電感Ls、繞組和結構零件導致的分布電容Cs 成比例,脈衝頂降λ 與勵磁電感Lm成反比,另外渦流損耗因素也會影響輸出的脈衝波形。

脈衝變壓器的漏電感 Ls = 4βπN21 lm / h

脈衝變壓器的初級勵磁電感 Lm = 4μπp Sc N2 / l ×10-9

渦流損耗 Pe = Um d2td lF / 12 N21 Scρ

β為與繞組結構型式有關的係數,lm為繞組線圈的平均匝長,h 為繞組線圈的寬度,N1為初級繞組匝數,l為鐵芯的平均磁路長度,Sc為鐵芯的截面積,μp為鐵芯的脈衝磁導率,ρ 為鐵芯材料的電阻率,d為鐵芯材料的厚度,F為脈衝重複頻率。

從以上公式可以看出,在給定的匝數和鐵芯截面積時,脈衝寬度愈大,要求鐵芯材料的磁感應強度的變化量ΔB 也越大;在脈衝寬度給定時,提高鐵芯材料的磁感應強度變化量ΔB,可以大大減少脈衝變壓器鐵芯的截面積和磁化繞組的匝數,即可縮小脈衝變壓器的體積。要減小脈衝波形前沿的失真,應儘量減小脈衝變壓器的漏電感和分布電容,為此需使脈衝變壓器的繞組匝數儘可能的少,這就要求使用具有較高脈衝磁導率的材料。為減小頂降,要儘可能的提高初級勵磁電感量Lm,這就要求鐵芯材料具有較高的脈衝磁導率μp。為減小渦流損耗,應選用電阻率高、厚度儘量薄的軟磁帶材作為鐵芯材料,尤其是對重複頻率高、脈衝寬度大的脈衝變壓器更是如此。脈衝變壓器對鐵芯材料的要求為:

① 高飽和磁感應強度Bs 值;

② 高的脈衝磁導率,能用較小的鐵芯尺寸獲得足夠大的勵磁電感;

③ 大功率單極性脈衝變壓器要求鐵芯具有大的磁感應強度增量ΔB,使用低剩磁感應材料;當採用附加直流偏磁時,要求鐵芯具有高矩形比,小矯頑力Hc。

④ 小功率脈衝變壓器要求鐵芯的起始脈衝磁導率高;

⑤ 損耗小。

鐵氧體磁芯的電阻率高、頻率範圍寬、成本低,在小功率脈衝變壓器中應用較多,但其ΔB

和μp 均較低,溫度穩定性差,一般用於對頂降和後沿要求不高的場合。

(三). 電感器磁芯

鐵芯電感器是一種基本元件,在電路中電感器對於電流的變化具有阻抗的作用, 在電子設備中應用極為廣泛。對電感器的主要要求有以下幾點:

① 在一定溫度下長期工作時,電感器的電感量隨時間的變化率應保持最小;

② 在給定工作溫度變化範圍內,電感量的溫度係數應保持在容許限度之內;

③ 電感器的電損耗和磁損耗低;

④ 非線性歧變小;

⑤ 價格低,體積小。

電感元件與電感量L、品質因素Q、鐵芯重量W、繞線的直流電阻R 有著密切的關係。

電感L 抗拒交流電流的能力用感抗值ZL來表示: ZL = 2πfL , 頻率f 越高,感抗值ZL 越大。

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