开关电源中的高频磁元件设计

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1、开关电源中的高频磁元件设计1参考文献[1]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计，电子工业出版社第5章磁性元件的特性与计算2[2]赵修科.开关电源中磁性元器件磁元件在开关电源中的作用当变压器使用电气隔离、能量传递、根据变比不同，实现升、降压电压、电流互感器多脉波整流当电感使用储能、滤波抑制电流尖峰，保护易受电流损坏的电子元器件实现开关管的软开关4.1磁性材料的概述34.1磁性材料的概述磁元件设计的重要意义无标准商品化元件；优化函数多重;磁学基础差;实践和经验。磁性材料的磁化物质的磁化需要外磁场；被磁化的物质称为磁介质；将磁性材料放到磁场中，磁感应强度显著增大，磁场使得磁性材料呈现磁性的现象称为磁

2、性材料的磁化。44.1磁性材料的概述磁性材料的磁化5铁磁材料之所以具有高导磁性，是因为在它们的内部具有一种特殊的物质结构—磁畴。铁磁材料内部的磁畴排列杂乱无章，磁性相互抵消，因此对外不显示磁性。（a）无外磁场情况磁畴因受外磁场作用而顺着外磁场的方向发生归顺性重新排列，在内部形成一个很强的附加磁场。（b）有外磁场情况铁磁材料内部往往有相邻的几百个分子电流圈流向一致，因此在这些极小的区域内就形成了一个个天然的磁性区域—磁畴。磁畴是怎么形成的？4.1磁性材料的概述磁性材料的磁化6磁场是电流产生的，而电流总是被磁场所包围磁场方向电流方向磁场方向电流方向右手定则4.1磁性材料的概述磁性材料的磁化过程7o

3、a段是线性段，可逆ab段是上升段，不可逆bc段是磁化曲线的膝部C点以后是饱和段J——磁化强度；m0——真空磁导率；H——磁场强度。曲线A——m0HB——JC——A+B，初始磁化曲线ab段反映了铁磁材料的高导磁性，磁导率可达102~104，由软磁材料组成的磁路磁阻很小，在线圈中通入较小的电流即可获得较大的磁通。c点以后说明铁磁材料具有磁饱和性。B不会随H的增强而无限增强，H增大到一定值时，B不能继续增强。4.1磁性材料的概述饱和磁滞回线8BS——饱和磁感应强度Br——剩余磁感应强度HC——矫顽力将磁性材料沿磁化曲线OS由完全去磁状态磁化到饱和Bs，如再将外磁场H减小，B值将不再按照原来的初始磁化

4、曲线（OS）减小，而是更加缓慢地沿较高的B减小。即使外磁场H=0时，B≠0。这种磁化曲线与退磁曲线不重合特性称为磁化的不可逆性。磁滞现象磁化的不可逆性磁感应强度B的改变滞后于磁场强度H的现象称为磁滞现象。4.1磁性材料的概述磁性材料的基本特性磁感应强度B（磁通密度）表征磁场中某一点的磁性强弱和方向的矢量9方向：左手定则单位：特斯拉（T）、高斯（GS），1GS=10-4T4.1磁性材料的概述磁通f穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总和。10nBαdSS或单位：韦伯（1Wb=1VS（伏秒））麦克斯韦（Mx）1Wb=108Mx4.1磁性材料的概述磁场强度H在任何磁介质中，磁场中某点的磁感应强度B与同

5、一点的磁导率μ的比值称为该点的磁场强度H。11单位：安培/米（A/m）、奥斯特（Oe）1Oe=103/4π（A/m）4.1磁性材料的概述磁导率m表征磁场中磁性能的物理量，可用来衡量磁介质导磁能力。磁导率μ在磁介质中不是常数。12（1）真空磁导率m0（2）初始磁导率mi是磁性材料的初始磁化曲线始端磁导率的极限值，即4.1磁性材料的概述（3）有效磁导率mr在闭合磁路中，或多或多或少地存在着气隙，若气隙很小可以忽略，则可以用有效磁导率来表征磁芯的导磁能力。13L——线圈的自感量（mH）N——线圈匝数Ae——磁芯截面积（mm2）l——磁路长度(mm)（4）最大磁导率mm磁导率中的最大值（5）动态磁导率

6、mm在磁化曲线上各点切线的斜率，表示该点附近磁感应强度随磁场强度变化的情况。4.1磁性材料的概述饱和磁感应强度BS随磁芯中磁场强度H增加，磁感应强度出现饱和时的B值，称饱和磁感应强度BS。剩余磁感应强度Br磁芯从磁饱和状态去除磁场后，剩余的磁感应强度或残留磁通密度。矫顽力HC磁芯从饱和状态去除磁场后，继续反向磁化直至磁感应强度减小到零，此时的磁场强度称为矫顽力或保磁力。144.1磁性材料的概述温度系数am温度系数为温度在T1~T2范围内变化时，温度每变化1℃，磁导率的相对变化量。15m1——温度为T1时的磁导率m2——温度为T2时的磁导率居里温度TC铁磁物质的磁化强度随温度过度升高将会下降，当

7、达到某一临界温度时，自发磁化（即磁畴）便消失，这一临界温度称居里温度。在m-T曲线上，80％的mmax与20％mmax连线与m=1的交差点相对应的温度，即为居里温度。4.1磁性材料的概述磁芯损耗（铁损）PC磁芯在工作磁感应强度时的单位体积损耗，主要包括磁滞损耗(PH)、涡流损耗(PW)和残留损耗。工作磁感应强度BW16BW——工作磁感应强度（mT）US——线圈两端的电压（V）f——频率（kHz）A