开关电源磁芯特性0母线槽
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开关电源磁芯特性
开关电源磁芯特性 2011年12月10日 来源： 摘要: 本文对高频开关电源所用磁芯的特性进行了研究。将磁芯理论与开关电源相结合，简明的阐述了功率磁芯的重要特性。文章解释了温度对磁性能的影响，磁滞的形成以及对不同拓扑电源损耗的把握，并详细的推导了正激电源励磁电感的表达式，以及反激电源开气隙的真正原因。
1. 物质磁性的起源和居里温度 物质是由原子组成的，原子中的电子有两种运动方式：绕原子核的轨道运动和绕本身轴的自旋。无论哪种运动都可等效为一个环形电流，由安培环路定律可知，必然产生磁场。即，原子的磁场来自轨道磁场加自旋磁场。宏观的磁场则表现为所有原子磁场的矢量和。当原子与原子的磁场取向相反时，磁场彼此抵消，对外不显示磁性。当原子与原子的磁场取向相同时，磁场彼此叠加，对外显示磁性。实际物体的宏观磁场，大多不是以原子产生的磁场为单位，而是以磁畴为单位。磁畴可以理解为无数个具有相同方向（磁场）的原子的聚集。而磁畴磁场取向的排列才真正决定物体的宏观磁性。 各种磁性物体都有一个重要的物理参数：居里温度。也就是说对于磁性物体，当超过某个特定的温度时不管外界磁化磁场的大小，都不再显示磁性。这是因为热运动使物体的磁畴混乱排列，磁场彼此抵消，宏观上不显示磁性。所以电源用磁性材料必须考虑磁芯的散热，温度的升高必然导致磁性能的下降。磁性物体决不能在居里温度以上工作。一般来讲，磁导率越高居里温度越低。常规电源用铁氧体材料的居里温度约为220℃。
2. 电源用磁性物体的分类和磁化曲线
铁磁性材料：这种磁性体只要在很小的磁场的作用下就能磁化到饱和。并且对外显示强磁性。其磁导率高达106数量级。一旦外场消失则对外不显示磁性。高频变压器用的硅钢片就属于典型的铁磁体。 亚铁磁性材料：相对铁磁性而言仅仅是磁导率要小2—3个数量级。比如我们高频变压器用的铁氧体是典型的亚铁磁性材料。典型的磁化曲线： 作为正激和桥式变换器，大都工作在区域1和2。这两个区的特点是：外磁场很小，并且磁化过程是可逆的。对1区有B=µiH。µi 为起始磁导率。显然是线性的。对输出功率不大、频率不高的电源变压器，可以极为精确的计算工作时的B值。在2区有B=µiH+bH2。其中b为瑞利常数。这个区已经不是线性的了。但磁化过程仍然可逆。通常针对这两个区，在工程应用上我们仍然取近似公式：B=µiH。由于可逆，故正激变换器几乎没有磁滞（实际上由于工艺等原因，仍然存在不可逆磁化，仍有磁滞，只不过比较小）。对于输入输出相同的电源，若分别采用正激和反激拓扑，只要工作频率相同，正激变压器的效率一定高于反激变压器。 对于反激变压器而言，其工作区域是1、2、3区。其中3区属于不可逆磁化区，这个区域是磁滞的主要形成区，故反激变压器定有磁滞损耗的成分。它是工作在中等磁场范围内，此时当磁场的变化范围很小时，B的变化十分显著，其磁导率迅速增大并达到最大值，这个区也是最大磁导率区。显然1、2、3各区的磁导率并不相等。但在变压器的参数计算时，我们采用公式B=µe H。其中µe为有效磁导率，使将1、2、3中的B---H曲线等效为一根直线得出的B和H的比值。需要说明的是这个式子适应于以DCM方式工作的反激变换器。以CCM方式工作的反激变换器，精确的计算须使用增量磁导率。正激变换器中的储能电感的计算同样要考虑DCM方式使用µe，CCM方式使用增量磁导率。 图4是最大磁滞洄线。磁化过程不能按原路返回，则必然有能量的消耗，磁化一周消耗的功率就等于磁化曲线包围的面积。为降低功耗，我们在选择磁芯时，总是希望磁滞洄线越瘦越好。这样才更近似于一条过坐标零点的直线。当用公式B=µe H时，才更接近实际情况。由于B=µe H是个近似的公式，而磁芯的Bmax又是随温度的上升而降低，因而在设计变压器时ΔB值一定要留有余量。（DCM方式通常不应超过其标称Bmax值的2/3，注意这个值对应产品可能工作的最高温度），如果该值余量不大，电源过流保护的流限延迟，也必须考虑。通常情况，一个设计正确的电源，满负载情况下，在全电压输入范围内开环工作，变压器的磁芯是不会饱和的。
3. 励磁电流 一个实际的变压器，总可等效为一个励磁电感和一个理想变压器的并联,如图5。 对反激变压器则等效为一个理想电感。在Ton时，有Vin=n1Ae(db/dt)----①。 由安培环路定律：∮hdl=n1I1+n2I2=HLe=Φ1Rm/n1----② 其中Ae磁芯的有效截面积， B为磁感应强度 ，H为磁场强度， Le为有效磁路长度 ，Φ1为变压器初级磁通，Rm为磁芯磁阻。由②式可得：I1=(-n2/n1)I2+LeH/n12=(-n2/n1)I2+Φ1Rm/n12=(-n2/n1)I2+Φ1/ Lm =I1’+Im。③ 显然变压器的能量来源于I1 ，I1中必然包含了励磁电流。③式中的Im 即为励磁电流，I1’为次级等效到初级的电流。至此，可以得出结论：次级绕组开路时的初级电流即为励磁电流。相应次级开路时的初级电感则可近似认为是励磁电感。由上述公式可推出励磁电感的表达式为：Lm= n12/ Rm---④（磁阻的倒数即为磁芯的电感因子）。由④知，当n1→∞, Rm→0时，Lm→∞，变压器越趋向理想变压器，需要的励磁电流就越小，变压器的效率就越高。
4. 磁芯的气隙 对反激变压器，本质是个电感。其全部电流都为励磁电流，由电感的储能公式：W=1/2LI2 知，要增大其储能，表面看来可采用两种方式：第一，增大电感量（即增加匝数）。这样变压器的体积会大大增加，还有一个问题是，由于磁芯的ΔBmax不变，则最大工作电流必然减小，所以采用增大电感量来增加储能是不明智的。第二，就是增加工作电流。由Φ=LI=nΔBmaxAe=n2ALI可得：nALI= nI/ Rm =ΔBmaxAe。L为初级电感量，Ae为磁芯的有效截面积，AL为磁芯的电感因子，Rm为磁芯磁阻，n为初级匝数。显然右边的式子对给定的磁芯是个恒定值。要增大初级电流I，必然要增大磁芯磁阻Rm，增大磁芯磁阻则常用开气隙的方法实现（当然还可插入永久磁片进行反向磁化），开气隙后虽然电感值下降，单看这项，误以为减弱了磁芯的储能。但电流对磁芯储能的贡献却成平方倍增长，导致最终磁芯总储能的增加。如图6。 虽然开气隙后的磁导率小于未开气隙时的磁导率，但到达磁芯磁化饱和的磁场强度（与电流成正比）却大大增加了。由Rm=L/µA= L材/µ材A+ L气/µ气A。由于µ材>>µ气所以磁阻大大增加。足够有利于储存更多的能量。加气隙后磁阻的增大，必然增加漏磁，尤其是在气隙的周围。绕线的方式也很讲究如图7-8： 如果要减小漏感则线圈可直接绕在气隙上，但在气隙周围的线圈将处在很强的变化磁场中，会在导线中产生局部涡流，长时间后会把漆包线烧变色。对于气隙分散的铁粉心，减小漏感的最佳方式是分散的均匀的绕满整个磁芯。通常的气隙长度为0.2mm---1mm之间。
5. 磁芯损耗的分类 磁芯损耗可分为三种：①磁滞损耗 ②涡流损耗 ③剩余损耗（主要由磁后效引起，与粒子的扩散有关）。磁滞在低场下可以不予考虑，涡流在低频下也可忽略，剩下的就是剩余损耗。在磁感应强度较高或工作频率较高时，各种损耗互相影响难于分开。故在涉及磁损耗大小时，应注明工作频率f以及对应的Bm值。但在低频弱场下，可用三者的代数和表示：tanδm= tanδh+tanδf+tanδr。式中tanδh tanδf tanδr分别为：磁滞损耗角正切，涡流损耗角正切，剩余损耗角正切。各种损耗随频率的变化关系如图9。 由图9可见，剩余损耗和B的大小无关，但随频率增大而增大。而磁滞损耗随B的增加增大，涡流损耗则和频率成线性变化。了解了这些就可知：在正激和桥式电源中，磁芯损耗着重考虑涡流损耗。在反激变压器和储能电感中，既要考虑涡流损耗又要考虑磁滞损耗，尤其是DCM方式工作的电源，磁滞损耗是第一位的。所以可以确定，做电源时第一点就是根据电源的工作频率选取相应的磁芯材料。 多数情况下，生产磁芯的企业可在材料的配方和工艺上遏制磁芯的损耗。对于给定的磁芯，开关电源工程师是无法降低其损耗的。唯一能够做的就是正确的使用磁芯。工程应用中常见的发热现象50%以上是磁饱和，剩下的才是磁滞损耗和涡流损耗（包括导线的粗细不正确和磁芯工作频率不正确）。
参考文献1、>