高频开关电源磁芯的设计原理

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1、高频电源变压器磁芯的设计原理作者：王耕福1引言电子信息产业的迅速发展，对高频开关式电源不断提出新的要求。拯报导，全球开关电源市场规模己超过100亿美元口］。通信、计算机和消费电子产甜是开关电源的三大主力市场。庞大的开关电源市场主耍由AC/DC和DC/DC开关电源两部分组成。据预测，AC/DC开关电源全球销售收入将从1999年的91亿美元增加到2004年的122亿美元年平均增长率为5.9%0低功率（0〜300W）的AC/DC将面向增长平稳的消费电了产品和计算机市场；大功率（750〜1500W）的AC/DC电源将而向增长强劲的电信市场。DC/DC电源约占整个开关电源市场的30%,

2、但计算机与通信技术的快速融合，带动了DC/DC模块式电源的迅速增长。预计今后几年，DC/DC电源模块增长速度将超过AC/DC电源，有人估计，屮国今后五年,DC/DC电源模块市场年增长将达15%,增长主要是在电信领域.开关式电源技术发展趋势是高密度、高效率、低噪声，以及表面贴装化。无论是AC/DC或DC/DC电源，除了功率晶体管外，由软磁铁氧体磁芯制成的主变压器、扼流圈及其它电感器（如抗噪声滤波器）是极重要的元件，其磁性能和尺寸直接关系到电源的转换效率和功率密度等。在变压器设计屮，主要包括绕组设计和磁芯设计。木文拟重点讨论涉及主变压器磁芯设计小应考虑的通过功率、性能因子、热阻等

3、参数，并对降低磁芯总损耗提出了材料微观设计应考虑的方法。2电源变压器磁芯性能要求及材料分类为了满足开关电源提高效率和减小尺寸、重量的要求，需要一种高磁通密度和高频低损耗的变压器磁芯。虽然有高性能的非晶态软磁合金竞争，但从性能价格比考虑，软磁铁氧体材料仍是最佳的选择；特别在100kHz到1MHz的高频领域，新的低损耗的高频功率铁氧体材料更有其独特的优势。为了最大限度地利用磁芯，对于较大功率运行条件卜-的软磁铁氧体材料，在高温工作范围（如80-100°C）,应具有以下最主要的磁特性：1）高的饱和磁通密度或高的振幅磁导率。这样变压器磁芯在规定频率下允许有一个大的磁通偏移，其结果可减

4、少匝数；这也有利于铁氧体的高频应用，因为截止频率正比于饱和磁通密度。2）在工作频率范围有低的磁芯总损耗。在给审温升条件下，低的磁芯损耗将允许有高的通过功率。附带的要求则还有高的居里点，高的电阻率，良好的机械强度等。新发布的“软磁铁氧体材料分类”行业标准（等同IEC61332：1995）,将高磁通密度应用的功率铁氧体材料分为五类，见表1。每类铁氧体材料除了对振幅磁导率和功率损耗提出要求外，还提岀了“性能因子”参数（此参数将在下面进一步叙述）。从PVV1〜PW5类别，其适用工作频率是逐步提高的，如PW1材料，适用频率为15〜100kH乙主要应用于回扫变压器磁芯；PW2材料，适用频

5、率为25〜200kH乙主要应用于开关电源变压器磁芯；PW3材料，适用频率为100〜300kHz；PW4材料适用频率为300kHz〜1MHz；PW5材料适用频率为1〜3MHz。现在国内己能生产和当TPW1〜PW3材料，PW4材料只能小量试生产，PW5材料尚有待开发。H功側弭分K

6、1）:Wd为绕组设计参数（包含电流密度S,占空因子fCu,绕组截面积AN等）。这里，我们重点讨论（fBmaxAe）参数（暂不讨论绕组设计参数Wd）。增大磁芯尺寸（增大Ae）可提高变压器通过功率,但当前开关电源的目标是在给定通过功率下要减小尺寸和重量。假定固定温升，对一个给定尺寸的磁芯，通过功率近似正比于频率。图1示出变压器可传输功率Pth与频率f的关系。提高开关频率除了要应用快速晶体管以外，还受其它电路影响所限制，如电压和电流的快速改变，在开关电路中产生扩大的谐波谱线，造成无线电频率干扰，电源的辐射。对变压器磁芯来说，提高工作频率则要求改进高频磁芯损耗。图1中N67材料（西门

7、子公司）比N27材料有更低的磁芯损耗，允许更大的磁通密度偏移AB,因而变压器可传输更大的功率。图2示出磁芯损耗与频率的关系。磁芯总损耗PL与工作频率f及工作磁通密度B的关系由下式表示:PL=KfmBnVe(2)0」—•加,on〃皿200出ISiemens公旬的ETD町俊输功半化与的娇—■■■■I.■I

8、01010#KH：I01//ills图2破芯损耗与猴库的关系式中，n是Steinmetz指数，对功率铁氧体来说，典盘值是2.5；指数m=1~1.3（当磁损耗单纯地由磁滞损耗引起时，m=1；当f二10〜10