开关电源中的高频磁元件的设计

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1、第4章高频开关电源中的磁元件设计123磁性材料的概述高频变压器设计方法磁性材料及铁氧体磁性材料基本内容这里讨论的磁性元件是指绕组和磁芯。绕组可以是一个绕组，也可以是两个或多个绕组。它是储能、转换及隔离所必备的元件。常把它作为变压器或电感器使用。当变压器用，可起作用为：1)电气隔离；2)变比不同，达到电压升、降；3)大功率整流副边相移不同，有利纹波系数减小；4)磁耦合传送能量；5)测量电压、电流。当电感器用，可起作用为：1)储能、平波、滤波；2)抑制尖峰电压或电流，保护易受电压、电流损坏的电子元件；3)与电容器构成谐振，产生方向交变的电压或电流。目录4.1磁性材

2、料的概述4.1.1磁元件在开关电源中的作用4.1.2磁性元件对设计的重要意义4.1.3磁性材料的磁化4.1.4磁性材料的基本特性4.2磁性材料及铁氧体磁性材料4.3高频变压器设计方法4.1.1磁元件在开关电源中的作用4.1.2磁性元件对设计的重要意义磁性元件是开关变换器中必备的元件。但又不易透彻掌握工作情况(包括磁材料特性的非线性，特性与温度、频率、气隙的依赖性和不易测量性)。在选用元件时，不像电子元件可以有现成成品选择。绝大多数磁性元件都是要自行设计，主要是变压器和电感器涉及的参数太多，例如：电压、电流、频率、温度、能量、电感量、变比、漏电感、磁材料参数、铜

3、损耗、铁损耗等等。磁材料参数测量因难，也增加了人们的困惑感。绝大多数磁元件要自行设计，或提供参数委托设计、加工。目录4.1磁性材料的概述4.1.1磁元件在开关电源中的作用4.1.2磁性元件对设计的重要意义4.1.3磁性材料的磁化4.1.4磁性材料的基本特性4.2磁性材料及铁氧体磁性材料4.3高频变压器设计方法4.1.3磁性材料的磁化物质的磁化需要外磁场。相对外磁场而言，被磁化的物质称为磁介质。将铁磁物质放到磁场中，磁感应强度显著增大。磁场使得铁磁物质呈现磁性的现象称为铁磁物质的磁化。铁磁物质之所以能被磁化，是因为这类物质不同于非磁物质，在其内部有许多自发磁化的

4、小区域—磁畴。在没有外磁场作用时，这些磁畴排列的方向是杂乱无章的(图5-1(a))，小磁畴间的磁场是相互抵消的，整个磁介质对外不呈现磁性。如给磁性材料加外磁场，材料中的磁畴顺着磁场方向转动，加强了材料内的磁场。随着外磁场加强，转到外磁场方向的磁畴就越来越多，与外磁场同向的磁感应强度就越强，如图5-1(b)～（d）所示，这就是说材料被磁化了。目录4.1磁性材料的概述4.1.1磁元件在开关电源中的作用4.1.2磁性元件对设计的重要意义4.1.3磁性材料的磁化4.1.4磁性材料的基本特性4.2磁性材料及铁氧体磁性材料4.3高频变压器设计方法(a)(b)(c)(d)图

5、5-1铁磁物质磁化过程中的磁畴排列4.1.3磁性材料的磁化目录4.1磁性材料的概述4.1.1磁元件在开关电源中的作用4.1.2磁性元件对设计的重要意义4.1.3磁性材料的磁化4.1.4磁性材料的基本特性4.2磁性材料及铁氧体磁性材料4.3高频变压器设计方法1、磁性材料的磁化过程如将完全无磁状态的铁磁物质放在磁场中，磁场强度从零逐渐增加，测量铁磁物质的磁通密度B，得到磁通密度和磁场强度H之间关系，并用B-H曲线表示，该曲线称为磁化曲线，如图5-2曲线C所示。图5-2铁磁物质的磁化特性4.1.3磁性材料的磁化目录4.1磁性材料的概述4.1.1磁元件在开关电源中的作

6、用4.1.2磁性元件对设计的重要意义4.1.3磁性材料的磁化4.1.4磁性材料的基本特性4.2磁性材料及铁氧体磁性材料4.3高频变压器设计方法当磁介质置于磁场中，外磁场较弱时，随着磁场强度的增加，与外磁场方向相差不大的那部分磁畴逐渐转向外磁场方向（图5-1（b）），磁感应B随外磁场增加而增加(图5-2中oa段)。如果将外磁场H逐渐减少到零时，B仍能沿ao回到零，即磁畴发生了“弹性”转动，故这一段磁化是可逆的。当从磁场继续增大时，与外磁场方向相近的磁畴已经趋向于外磁场方向，那些与磁场方向相差较大的磁畴克服“摩擦”，也开始转向外磁场方向（图5-1（c）），因此磁感

7、应B随H增大急剧上升，如磁化曲线ab段。如果把ab段放大了看，曲线呈现阶梯状，说明磁化过程是跳跃式进行的。如果这时减少外磁场，B将不再沿ba段回到零，过程是不可逆的。4.1.3磁性材料的磁化目录4.1磁性材料的概述4.1.1磁元件在开关电源中的作用4.1.2磁性元件对设计的重要意义4.1.3磁性材料的磁化4.1.4磁性材料的基本特性4.2磁性材料及铁氧体磁性材料4.3高频变压器设计方法2、饱和磁滞回线如果将铁磁物质沿磁化曲线OS由完全去磁状态磁化到饱和Bs（如图5-3所示），此时如将外磁场H减小，B值将不再按照原来的初始磁化曲线(0S)减小，而是更加缓慢地沿较

8、高的B减小，这是因为发生刚性转动的磁畴