高频变压器磁芯的设计原理.pdf

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1、高频电源变压器磁芯的设计原理页码，1/6高频电源变压器磁芯的设计原理摘要：开关电源正向高频化发展，作为主变压器使用的软磁铁氧体磁芯，从材料性能、尺寸形状等均应作相应改进。本文讨论了磁芯设计中应考虑的通过功率、性能因子、热阻系数等参数，并提出了降低材料高频损耗的微观设计方法。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。据报导，全球开关电源市场规模已超过100亿美元。通信、计算机和消费电子是开关电源的三大主力市场。庞大的开关电源市场主要由AC/DC和DC/DC开关电源两部分组成。据预测，AC/DC开关电

2、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%。低功率的AC/DC（0～300W）将面向增长平衡的消费电子和计算机市场；大功率的AC/DC电源（750～1500W）将面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%，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，如有人估计，中国今后五年，DC/DC电源模块市场年增长将达15%，增长主要是在电信部门。开关式电源技术发展趋势是高

3、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。在变压器设计中，主要包括绕组设计和磁芯设计。本文拟重点讨论涉及主要变压器磁芯设计中应考虑的通过功率、性能因子、热阻等参数，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

4、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。为了最大程度地利用磁芯，对于较大功率运行条件下的软磁铁氧体材料，在高温工作范围（如80～100℃），应是有以下最主要的磁特性：（1）高的饱和磁通密度或高的原振幅磁导率。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化。（2）在工作频率范围有低的磁芯总损耗。在给定温升条件下，低的磁

5、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IEC1332-1995），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，还提出了“性能因子”参数（该参数将在下面进一步叙述）。从PW1～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15～100kHz，主要应用于回扫变压器磁芯；PW2材料，适用频率为25～200kHz，主要应用于开关电源变压器磁芯；PW3材料，适

6、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。现在国内已能生产相当于PW1～PW3材料，PW4材料只能小量试生产，PW5材料尚有待开发。3．变压器可传输功率高频电源变压器磁芯的设计原理页码，2/6   众所周知，变压器的可传输出功率正比于工作频率f，最大可允许磁通Bmax，（或可允许磁能偏移ΔB）和磁路截面积Ae，并表示为：P=CfBAeWd(1)thmax式中，C棗与开关电源电路工作型式有关的系数（如推挽式C=1；正向变换器C=0.71；反向变换器C=0.6

7、1）W棗绕组设计参数（包含电流密度S，占空因子f，绕组截面积AdcuN等）。表1功率铁氧体材料分类性能因f子功耗损耗maxfB2)4）1)3)5)类别μ（B×μaikHzmTf）kW/m3kHzmT×kHz4500PW1a≤30010015300>25002000(300×PW1b≤20015)5000PW2a≤30020020200>25002000(200×PW2b≤15025)10000PW3a≤300300100100>30002000(100×PW3b≤150100)1500PW4a≤300100030050>

8、20001500(50×PW4b≤150300)2500PW5a≤3003000100025>1000800(25×PW5b≤1501000)注：1）fmax是该类材料适用的最高频率。2）B是该类材料适用的磁通密度。3）μ100℃的振幅磁导率，B和f见表1。4）功率损耗在100℃测量，B和f见表1。a5）是25℃初始