开关电源磁性元件损耗温升与绝缘研究

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1、开关电源磁性元件损耗、温升与绝缘研究顾公兵李网生沈坚（南京电子技术研究所310013）摘要：通过对磁性元件的损耗分析，构建了总损耗模型，该模型的磁芯损耗考虑了波形因素，铜损耗考虑了高频率对损耗的影响，用交流电阻损耗代替直流损耗，使得总损耗计算值更接近实际。对该模型求解极值，推导了最小损耗时的磁通密度与线圈匝数计算方法。通过对损耗、温升与绝缘关系的讨论，提出了提高磁芯元件功率密度设计方法。关键词：开关电源，磁性元件，损耗，温升，绝缘1.引言磁性元件——变压器、谐振电感、阻流圈等占据了开关电源的大部分重量

2、和体积，提高磁性元件的功率密度是开关电源设计不断追求的目标。在追求磁性元件的功率密度的同时，不可避免地要遇到与安全可靠之间的矛盾。由于损耗的客观存在，提高功率密度，必然带来温升问题。一方面，由于体积变小，散热难度加大，可能造成因温度过高而导致绝缘性能下降，进而威胁电源安全；另一方面，如果仅仅强调安全可靠，设计冗余过大，就难以达到提高功率密度的目的。解决这对矛盾的途径有2条：一是努力提高磁性元件能量传递效率，从设计上减少损耗的产生；二是充分利用散热条件和材料的绝缘能力，在保证可靠的前提下，发掘材料潜力，

3、提高功率密度。研究开关电源磁性元件损耗、温升与绝缘的相互关系问题，可以设定、核算安全温升，把元件功率密度提高到合理水平上。2.损耗损耗是温升的根源。磁性元件主要由磁芯和线圈组成，损耗也是由这两部分产生，即磁芯损耗Pc和铜损耗Pw。总损耗：，如图1[1]图1工作磁通密度B、线圈匝数N与铜耗Pw、磁芯损耗Pc关系可见，总损耗P是与工作磁通密度B、线圈匝数N有关的。线圈电压：（1）式中，波形系数，方波取4，正弦波取4.44。这表明，在选定磁芯截面积的磁性元件线圈上，加载一定频率的电压，工作磁通密度B与线圈匝

4、数N成反比关系。图1显示，如果线圈匝数N增加（工作磁通密度B随之减少），磁芯损耗递减，而导线铜损耗递增。研究表明[2]，当时，总损耗P最小。7-7但是，文献[8]对该结论有质疑。由于引发损耗的原因复杂，损耗的数学模型复杂且不够精确，实践中，很难找准最优工作点，但是，接近这个理想的工作点，使得损耗在最佳工作点某个范围，还是有意义的。1）磁芯损耗开关电源磁芯要求：软磁材料，具有低矫顽力--磁滞损耗小；高磁导率--励磁电流小；高起始高磁导率--磁灵敏度高；高电阻率--涡流损耗小；高磁感应强度--线圈匝数少，

5、元件体积小。铁氧体磁芯，尤以Mn-Zn铁氧体综合特性最好，因此使用最广泛。一般认为[1,3]，磁芯损耗由磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗组成。可以证明[1]，单位体积磁芯的磁滞损耗正比于静态磁滞回线包围的面积，并且与频率有关，频率越高，损耗越大。单位体积磁滞损耗：（2）其中，材料系数；指数，。在工作频率100KHz以下，磁滞损耗Ph起到主要作用。M.Albach等人的研究表明，涡流损耗与磁通变化率成正比。工作频率通过影响而影响涡流损耗。单位体积涡流损耗：（3）其中，磁芯材料电阻率；材料密度；剩余损耗只有在

6、1MHz以上才起到主要作用。在目前的开关工作频率下，可以忽略。在研究磁芯损耗的时候，通常把上述损耗归纳成Steinmetz经验公式：（4）式中，磁芯单位体积损耗，mW/cm3；损耗系数，与材料有关；工作频率，KHz；最大工作磁通密度，T；损耗指数，f=50KHz时，α=1.5-1.7；β=2-2.7。注意，Steinmetz经验公式表示的是正弦波电压励磁的铁氧体磁芯单位体积损耗。磁芯厂家通常给出产品的单位体积典型损耗，例如：表1.部分磁芯厂家部分磁芯材料典型损耗飞利浦3F3磁芯TDKPC40磁芯新康达

7、LP3磁芯条件Pc(mW/cm3)条件Pc(mW/cm3)条件Pc(mW/cm3)100khz,100℃,100mT≦8025khz,100℃,200mT≦7025khz,100℃,200mT≦70400khz,100℃,50mT≦150100khz,100℃,200mT≦410100khz,100℃,200mT≦4507-7对于开关电源，电压波形往往并非正弦波。对于大功率开关电源，通常采用双极性方波电压，为了比较准确计算方波电压磁芯损耗，福州大学对方波与正弦波的磁芯损耗做过对比研究，并推导了方波与正

8、弦波的磁芯损耗的等效计算，并得到下列结论[4]：1.具有相同半波平均电压的对称方波电压产生磁芯损耗比正弦波产生的磁芯损耗小。2.等效频率法计算方波电压磁芯损耗：方波频率等效正弦波频率：3.具有相同磁通密度变化的方波电压与正弦波电压产生的损耗比近似，方波电压损耗小。4.具有相同幅值的双极性方波电压比正弦波电压产生的损耗大。根据上述结论3，可以通过查阅磁性资料，求出具有相同磁通密度变化的方波电压磁芯损耗。1）铜损耗铜损耗的来源是线圈导线中电流的热效应。对于低