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1、#26#JMagnMaterDevicesVol31No4#综述#文章编号:1001-3830(2000)04-0026-06高频电源变压器磁芯的设计原理王耕福(国营第八九八厂,江苏南京210028)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。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。关键词:开关电源变压器;磁芯;损耗通过功率;性能因子;热阻+中图分类号:TM201.45文献标识码:A以及表面贴装化。无论是AC/DC或DC/1引言DC电源,除了功率晶体管外,由软磁铁氧电子信息产业
2、的迅速发展,对高频开关体磁芯制成的主变压器、扼流圈及其它电感式电源不断提出新的要求。据报导,全球开器(如抗噪声滤波器)是极重要的元件,其磁[1]关电源市场规模已超过100亿美元。通性能和尺寸直接关系到电源的转换效率和信、计算机和消费电子产品是开关电源的三功率密度等。在变压器设计中,主要包括绕大主力市场。庞大的开关电源市场主要由组设计和磁芯设计。本文拟重点讨论涉及AC/DC和DC/DC开关电源两部分组成。主变压器磁芯设计中应考虑的通过功率、性据预测,AC/DC开关电源全球销售收入将能因子、热阻等参数,并对降低磁芯总损耗从1999年的91亿美元增加到2004年的提出了材料微观设计应考虑的方法。12
3、2亿美元,年平均增长率为5.9%。低功率(0~300W)的AC/DC将面向增长平稳的2电源变压器磁芯性能要求及材料消费电子产品和计算机市场;大功率(750~分类1500W)的AC/DC电源将面向增长强劲的电信市场。DC/DC电源约占整个开关电源为了满足开关电源提高效率和减小尺市场的30%,但计算机与通信技术的快速寸、重量的要求,需要一种高磁通密度和高融合,带动了DC/DC模块式电源的迅速增频低损耗的变压器磁芯。虽然有高性能的长。预计今后几年,DC/DC电源模块增长非晶态软磁合金竞争,但从性能价格比考速度将超过AC/DC电源,有人估计,中国虑,软磁铁氧体材料仍是最佳的选择;特今后五年,DC/DC
4、电源模块市场年增长将别在100kHz到1MHz的高频领域,新的达15%,增长主要是在电信领域。开关式电低损耗的高频功率铁氧体材料更有其独源技术发展趋势是高密度、高效率、低噪声,特的优势。为了最大限度地利用磁芯,对收稿日期:2000-04-082000年8月磁性材料及器件#27#于较大功率运行条件下的软磁铁氧体材料,频率为25~200kHz,主要应用于开关电源在高温工作范围(如80~100e),应具有以变压器磁芯;PW3材料,适用频率为100~下最主要的磁特性:300kHz;PW4材料适用频率为300kHz~(1)高的饱和磁通密度或高的振幅磁导1MHz;PW5材料适用频率为1~3MHz。现率。这
5、样变压器磁芯在规定频率下允许有一在国内已能生产相当于PW1~PW3材料,个大的磁通偏移,其结果可减少匝数;这也PW4材料只能小量试生产,PW5材料尚有有利于铁氧体的高频应用,因为截止频率正待开发。比于饱和磁通密度。3变压器可传输功率(2)在工作频率范围有低的磁芯总损耗。在给定温升条件下,低的磁芯损耗将允众所周知,变压器的可传输功率Pth许有高的通过功率。正比于工作频率f,最大可允许磁通密度附带的要求则还有高的居里点,高的电Bmax(或可允许磁通偏移$B)和磁路截面阻率,良好的机械强度等。积Ae,并表示为新发布的/软磁铁氧体材料分类0行业Pth=CfBmaxAeWd(1)标准(等同IEC6133
6、2:1995),将高磁通密度式中,C为与开关电源电路工作型式应用的功率铁氧体材料分为五类,见表1。有关的系数(如推挽式C=1;正向变换器每类铁氧体材料除了对振幅磁导率和功率C=0.71;反向变换器C=0.61);Wd为绕损耗提出要求外,还提出了/性能因子0参数组设计参数(包含电流密度S,占空因子(此参数将在下面进一步叙述)。从PW1~fCu,绕组截面积AN等)。PW5类别,其适用工作频率是逐步提高的,这里,我们重点讨论(fBmaxAe)参如PW1材料,适用频率为15~100kHz,主数(暂不讨论绕组设计参数Wd)。增大磁芯要应用于回扫变压器磁芯;PW2材料,适用尺寸(增大Ae)可提高变压器通过
7、功率,#28#JMagnMaterDevicesVol31No4100kHz时,m将随频率增高而增大,见图2,这个额外损耗是由于涡流损耗或剩余损耗引起的)。很明显,对于高频运行的铁氧[2]体材料,要努力减小m值。但当前开关电源的目标是在给定通过功率4工作磁通密度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变压器工作磁通密度(可允许磁通密度率。图1示出变压器可传输功率
