1、電力電子電路常用磁芯元件的設(shè)計(jì)    式中L為線圈的自感量(mH);N為線圈匝數(shù);為磁芯常數(shù),是磁路長(zhǎng)度l與磁芯截面積Ae的比值(單位:mm-1).(3)飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs在指定溫度(25或100)下,用足夠大的磁場(chǎng)強(qiáng)度磁化磁性物質(zhì),磁化曲線接近水平線(見附圖1-1)時(shí),不再隨外磁場(chǎng)強(qiáng)度增大而明顯增大對(duì)應(yīng)的B值,稱飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs.(4)剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br鐵磁物質(zhì)磁化到飽和后,又將磁場(chǎng)強(qiáng)度下降到零時(shí),鐵磁物質(zhì)中殘留的磁感應(yīng)強(qiáng)度即為Br,稱為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度,簡(jiǎn)稱剩磁.(5)矯頑磁力 Hc磁芯從飽和狀態(tài)去除磁場(chǎng)后,需要一定的反向磁場(chǎng)強(qiáng)度-Hc,使磁感應(yīng)強(qiáng)度

2、減小到零,此時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc稱為矯頑磁力(或保磁力).(6)溫度系數(shù)溫度系數(shù)為溫度在T1T2內(nèi)變化時(shí),每變化1對(duì)應(yīng)的磁導(dǎo)率相對(duì)變化量,即 , T2 >T1式中為溫度為T1時(shí)的磁導(dǎo)率, 為溫度為T2時(shí)的磁導(dǎo)率.(7)居里溫度Tc居里溫度是指材料可以在鐵磁體和順磁體之間改變的溫度.低于居里溫度時(shí)該物質(zhì)成為鐵磁體,此時(shí)和材料有關(guān)的磁場(chǎng)很難改變.當(dāng)溫度高于居里溫度時(shí),該物質(zhì)成為順磁體,磁體的磁場(chǎng)很容易隨周圍磁場(chǎng)的改變而改變.(8)磁芯損耗(鐵耗)Pc磁芯損耗是指磁芯在工作磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)的單位體積損耗.磁芯損耗包括:磁滯損耗,渦流損耗,殘留損耗.磁滯損耗是每次磁化所消耗的能量,正比于磁滯回線的面積,

3、如附圖1-2所示;渦流損耗是交變磁場(chǎng)在磁芯中產(chǎn)生環(huán)流引起的歐姆損耗;殘留損耗是由磁化弛豫效應(yīng)或磁性滯后效應(yīng)引起的損耗.前兩項(xiàng)是磁芯損耗的主要部分.(9)電感系數(shù)AL電感系數(shù)是磁芯上每一匝線圈產(chǎn)生的自感量,即式中L為磁芯線圈的自感量(單位:H),N為線圈匝數(shù).三,鐵氧體磁芯的基本知識(shí)1.材料的磁化燒結(jié)后的鐵氧體是由小的晶體組成,這種晶體的大小一般在1020m的范圍內(nèi),磁疇就是存在于這些晶體之中.在沒有外磁場(chǎng)作用時(shí),這些磁疇排列的方向是雜亂無(wú)章的,如附圖1-3(a)所示,小磁疇間的磁場(chǎng)是相互抵銷的,對(duì)外不呈現(xiàn)磁性.當(dāng)一個(gè)外加磁場(chǎng)(H)作用于該材料時(shí),磁疇順著磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng),加強(qiáng)了鐵氧體內(nèi)的磁場(chǎng).隨著

4、外磁場(chǎng)的加強(qiáng),轉(zhuǎn)到外磁場(chǎng)方向的磁疇就越來(lái)越多,與外磁場(chǎng)同向的磁感應(yīng)強(qiáng)度就越強(qiáng),如附圖1-3(b)所示.這就是說(shuō)材料被磁化了.在這個(gè)磁化過(guò)程中,磁疇重新排列必須克服能量勢(shì)壘,因此,磁化總是滯后于磁場(chǎng).所謂的"磁滯回線"(見附圖1-1),就是這種現(xiàn)象的結(jié)果.如果對(duì)磁化的抵抗并不是很強(qiáng)時(shí),一個(gè)特定的磁場(chǎng)強(qiáng)度將會(huì)產(chǎn)生很大的感應(yīng)磁場(chǎng),鐵氧體的磁導(dǎo)率很高.磁滯回線的形狀對(duì)鐵氧體的其他性能有著很強(qiáng)的影響,如磁損.2.磁芯的形狀鐵氧體磁芯有許多不同的形狀,如附圖1-4所示.這些形狀各異的磁芯各有其特點(diǎn),適用于制作各種磁性元件.(1)磁環(huán)磁芯.從磁的角度而言,磁環(huán)也許是最佳選擇,因?yàn)榇怒h(huán)的磁

5、路是一個(gè)封閉的形狀,因此鐵氧體的性能可以最為充分地發(fā)揮出來(lái).尤其是對(duì)于高磁導(dǎo)率的鐵氧體材料,哪怕是一點(diǎn)點(diǎn)氣隙都會(huì)使得磁導(dǎo)率顯著下降.磁環(huán)主要應(yīng)用于脈沖變壓器,磁放大器,干擾抑制線圈(共模電感)等場(chǎng)合.磁環(huán)在特定功率處理能力下是最便宜的磁性元件之一,但是磁環(huán)的繞制卻是最困難的.(2)罐型磁芯.罐型磁芯最初是為通信濾波電感而設(shè)計(jì)的,磁芯幾乎包圍了所有的線包和骨架,這種結(jié)構(gòu)很好地屏蔽了外部的電磁噪聲(EMI).罐型磁芯的成本要高于其他形狀的磁芯,此外其散熱性能較差,所以至今還沒有適用于大功率場(chǎng)合的產(chǎn)品.(3)E型磁芯.E型磁芯較罐型磁芯便宜,易于繞制,安裝方便.E型磁芯的骨架有立式和臥式兩種,立式骨

6、架占用PCB板面積較小但高度很大,臥式骨架正好相反.E型成為最為常用的磁芯形狀.可以說(shuō)EE型磁芯和EI型磁芯具有相同的外形,相同的尺寸,相同的骨架,僅僅在漏磁場(chǎng)分布存在差異,適用于制作開關(guān) 式中Cm為損耗系數(shù),為工作頻率,B為工作磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值,Ve為磁芯面積,分別為大于1的頻率和磁感應(yīng)損耗系數(shù).(2)銅損銅損是電流通過(guò)線圈所產(chǎn)生的損耗.在低頻場(chǎng)合,銅損計(jì)算是直接將電流有效值的平方乘以線圈的直流電阻得到的.隨著頻率的提高,趨膚效應(yīng),鄰近效應(yīng)等因素的影響變得越來(lái)越嚴(yán)重.五,高頻變壓器的設(shè)計(jì)高頻變壓器的設(shè)計(jì),應(yīng)當(dāng)預(yù)先設(shè)定具體的電路拓?fù)?工作頻率,輸入和輸出電壓,輸出功率,變壓器的效率以及環(huán)境條件.

7、通常以滿足最壞情況設(shè)計(jì)變壓器,以保證設(shè)計(jì)的變壓器在規(guī)定的條件下都能滿意工作.不同的電路拓?fù)鋵?dǎo)致高頻變壓器磁化工作狀態(tài)不同,如推挽,半橋,全橋等功率變換器的高頻變壓器磁芯雙向磁化,工作在磁滯回線的第一和第三象限,為雙極性工作模式;而正激,反激變換器的高頻變壓器磁芯單向磁化,僅工作在磁滯回線的第一象限,為單極性工作模式.雙極性開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)(1)初始條件工作頻率f(Hz)開關(guān)變壓器初級(jí)輸入最高,最低電壓幅值U1max(V),U1min(V)變壓器初級(jí)激勵(lì)脈沖最大持續(xù)時(shí)間tonmax(s)(與最大占空比相關(guān))直流電源輸出電壓Uo(V),電流Io(A)輸出整流電路的形式及整流二極管壓降UD(V)

8、(2)設(shè)計(jì)步驟步驟1:確定原副邊繞組匝比計(jì)算匝比首先需要計(jì)算變壓器次級(jí)輸出電壓U2,對(duì)于直流開關(guān)穩(wěn)壓電源,次級(jí)輸出一般接二極管全波整流電路及電感濾波電路,因此,次級(jí)輸出電壓在滿足正常輸出電壓的同時(shí),還需要補(bǔ)償整流二極管和濾波電感的壓降,有式中Uo為變換器輸出電壓,UD為輸出整流二極管的通態(tài)壓降(對(duì)于全波整流一般為單個(gè)二極管壓降,而橋式整流電路為兩個(gè)二極管壓降),UL為輸出濾波電感上的直流壓降.變壓器的匝比應(yīng)保證最低輸入電壓U1min時(shí),電路能夠保證正常輸出電壓.對(duì)應(yīng)于橋式整流或全波整流,次級(jí)允許的最小輸出電壓為因此變壓器原副邊變比為 步驟2:確定高頻變壓器磁芯材料根據(jù)變壓器的工作頻率和傳輸功率

9、,選擇合適的磁芯材料.高頻功率變壓器磁芯材料通常選用鐵氧體R2KB.大功率鐵氧體材料性能如附表1-1所示,其磁芯損耗與磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線,磁芯損耗溫度特性曲線分別如附圖1-6和附圖1-7所示.步驟3:磁感應(yīng)強(qiáng)度B的選擇確定磁感應(yīng)強(qiáng)度B需要考慮兩個(gè)問(wèn)題:當(dāng)輸入電壓達(dá)到最高時(shí)磁芯不飽和,變壓器溫升滿足要求.在給定溫升條件下,當(dāng)磁芯損耗與銅線損耗相等時(shí),開關(guān)電源變壓器輸出功率最大.設(shè)計(jì)時(shí)初選磁感應(yīng)強(qiáng)度可根據(jù)功率P(單位W),工作頻率f(單位kHz),平均溫升(單位 C),按附圖1-8查出系數(shù)KB,然后按下式計(jì)算工作磁感應(yīng)強(qiáng)度:式中:B為工作磁感應(yīng)強(qiáng)度(T),KB為磁感應(yīng)強(qiáng)度系數(shù),Bm為磁性材料最大工作磁

10、感應(yīng)強(qiáng)度(T).步驟4:確定原邊與副邊的繞組匝數(shù)選定磁芯材料,確定磁芯最大的工作磁感應(yīng)強(qiáng)度,根據(jù)近似的面積乘積(AP)法,粗略估算,并預(yù)選一個(gè)磁芯型號(hào)(cm4)式中:AC為磁芯有效截面積(cm2);AW為磁芯窗口截面積(cm2);PT為變壓器傳輸功率(W);B為磁通密度變化量,雙極性變換器為B=2B(T);f為開關(guān)工作頻率(HZ);K為近似系數(shù)(正激,推挽中心抽頭變壓器取K=0.014;全橋,半橋變壓器取K=0.017).假定變壓器的效率為,則 選定磁芯后,初,次級(jí)繞組匝數(shù)n1,n2也隨之可以確定式中:U1min單位為V,tonmax單位為s,B單位為T,AC單位為cm2步驟5:確定繞組的導(dǎo)線

11、線徑和股數(shù)在選用繞組的導(dǎo)線線徑時(shí),要考慮導(dǎo)線的集膚效應(yīng).所謂集膚效應(yīng),是指當(dāng)導(dǎo)線中流過(guò)高頻交變電流時(shí),導(dǎo)線橫截面上的電流分布不均勻,中間電流密度小,甚至無(wú)電流,邊緣部分電流密度大,使導(dǎo)線的有效導(dǎo)電面積減小,電阻增大的現(xiàn)象.一般用穿透深度來(lái)描述導(dǎo)線的集膚效應(yīng),所謂穿透深度,是指導(dǎo)線電流密度下降到表面電流密度的0.368(即1/e)時(shí)的徑向深度.穿透深度與頻率f和導(dǎo)線物理性能的關(guān)系為式中k為導(dǎo)線材料的電導(dǎo)率溫度系數(shù),為導(dǎo)線材料的磁導(dǎo)率,為導(dǎo)線材料的電導(dǎo)率.對(duì)于銅質(zhì)電磁導(dǎo)線,在25 C時(shí)有: (mm)而在100 C時(shí)有: (mm)為了更有效地利用導(dǎo)線,減小集膚效應(yīng)的影響,一般要求導(dǎo)線的直徑小于兩倍的

12、穿透深度,即.如果繞組的線徑大于由穿透深度所決定的最大線徑時(shí),需采用小線徑的導(dǎo)線多股并繞或采用銅皮來(lái)繞制,銅皮的厚度要小于2倍穿透深度.在考慮集膚效應(yīng)采用多股導(dǎo)線并繞時(shí),初級(jí)繞組的導(dǎo)線股數(shù)Np為式中I1rmsmax為初級(jí)最大電流有效值;J為導(dǎo)線的電流密度,對(duì)于開關(guān)變壓器,一般取J=35A/mm2,SW為每根導(dǎo)線的導(dǎo)電面積(mm2).當(dāng)考慮集膚效應(yīng)采用多股導(dǎo)線并繞時(shí),次級(jí)繞組的導(dǎo)線股數(shù)NS為式中I2rmsmax是副邊最大電流有效值.步驟6:核算磁芯窗口面積在計(jì)算出變壓器的初次級(jí)匝數(shù),導(dǎo)線線徑及股數(shù)后,必須核算磁芯的窗口面積是否能夠繞得下,或者窗口是否過(guò)大.窗口充填系數(shù)kW定義為線圈銅占有的總面積

13、與磁芯窗口面積之比kW大小與絕緣等級(jí),環(huán)境條件和工藝結(jié)構(gòu)等因素有關(guān),考慮到層間絕緣,骨架,屏蔽以及爬電距離等因素,一般實(shí)際窗口利用率在0.250.5.如果窗口面積太小,說(shuō)明磁芯太小,要選擇大一型號(hào)的磁芯;如果窗口面積過(guò)大,說(shuō)明磁芯太大,可選小一型號(hào)的磁芯.重新選擇磁芯后,應(yīng)從步驟3開始計(jì)算,直到所選磁芯型號(hào)規(guī)格基本合適.2,單極性開關(guān)電源變壓器.正激變換器的高頻變壓器設(shè)計(jì)(1)初始條件工作頻率f(Hz)開關(guān)變壓器初級(jí)輸入最高,最低電壓幅值U1max(V),U1min(V)變壓器初級(jí)激勵(lì)脈沖最大持續(xù)時(shí)間tonmax(s)(與最大占空比相關(guān))直流電源輸出電壓Uo(V),電流Io(A)輸出整流電路的

14、形式及整流二極管壓降UD(V)(2)設(shè)計(jì)步驟步驟1:確定原副邊繞組匝比計(jì)算匝比首先需要計(jì)算變壓器次級(jí)輸出電壓U2,對(duì)于直流開關(guān)穩(wěn)壓電源,次級(jí)輸出一般接二極管整流電路及電感濾波電路,因此,次級(jí)輸出電壓在滿足正常輸出電壓的同時(shí),還需要補(bǔ)償整流二極管和濾波電感的壓降,有式中Uo為變換器輸出電壓,UD為輸出整流二極管的通態(tài)壓降(通常為半波整流),UL為輸出濾波電感上的直流壓降.變壓器的匝比應(yīng)保證最低輸入電壓U1min時(shí),電路能夠保證正常輸出電壓.次級(jí)允許的最小輸出電壓為因此變壓器原副邊變比為 步驟2:確定高頻變壓器磁芯材料該步驟與雙極性變壓器設(shè)計(jì)方法相同.步驟3:磁感應(yīng)強(qiáng)度B的選擇該步驟與雙極性變壓器

15、設(shè)計(jì)方法相同.步驟4:確定原邊與副邊的繞組匝數(shù).正激變換器通常在磁路中加氣隙來(lái)降低剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度和提高磁芯工作的直流磁場(chǎng)強(qiáng)度,因此計(jì)算時(shí)一般仍可以按步驟3的方法確定磁感應(yīng)強(qiáng)度增量,即 通常,由于正激變換器的磁芯單向磁化,工作在第一象限,工作磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量 B也可參考下式:式中Bs為磁芯的飽和磁通密度,Br為剩余磁通密度.如對(duì)于材質(zhì)為R2KB的鐵氧體,Bs=0.51T,Br=0.12T,則B<0.39T.參考雙極性變壓器設(shè)計(jì)步驟4,根據(jù)近似的面積乘積(AP)法,粗略估算,并預(yù)選一個(gè)磁芯型號(hào),則初,次級(jí)繞組匝數(shù)n1,n2也隨之可以確定:式中:U1min單位為V,tonmax單位為s,B單位

16、為T,AC單位為cm2步驟5:確定繞組的導(dǎo)線線徑和股數(shù)該步驟與雙極性變壓器設(shè)計(jì)方法相同.步驟6:核算磁芯窗口面積該步驟與雙極性變壓器設(shè)計(jì)方法相同.需要說(shuō)明的是,按以上設(shè)計(jì)的變壓器只是一種初步的樣品,變壓器的最終參數(shù)往往還需要經(jīng)過(guò)實(shí)際電路試驗(yàn)后做一定的修正.六,電感和反激變壓器的設(shè)計(jì)電感是電力電子電路中的常用元件,在開關(guān)電源中通常分為兩類:(1)單線圈電感:如輸出濾波電感(Buck),升壓電感(Boost),反激電感(Buck-Boost)和輸入濾波電感等.(2)多線圈電感:如耦合輸出濾波電感,反激變壓器等.電感通常有兩種工作模式,電流連續(xù)模式(CCM)和電流斷續(xù)模式(DCM).一般情況下,開關(guān)

17、電源中的電感在電流連續(xù)模式時(shí)線圈和磁芯的交流損耗比較小,應(yīng)盡可能選擇大的工作磁感應(yīng)強(qiáng)度以減小電感體積;而在電流斷續(xù)模式時(shí),磁芯和線圈的交流損耗是主要考慮因素.電感設(shè)計(jì)的磁芯選擇同樣可以采用面積法預(yù)估,當(dāng)磁芯損耗不嚴(yán)重,磁芯飽和限制的最大磁通密度為Bm,則面積經(jīng)驗(yàn)公式為:(cm4)當(dāng)磁芯損耗比較嚴(yán)重,損耗限制的磁通擺幅為時(shí)的面積經(jīng)驗(yàn)公式為:(cm4)其中,L為電感量(單位H),ISP為最大峰值電流(單位A),Bm為飽和限制的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度(單位T),I為初級(jí)電流增量(單位A),Bm為最大磁感應(yīng)強(qiáng)度增量(單位T),IFL初級(jí)滿載電流有效值(A).K1,K2為校正系數(shù),有式中:Jm為最大電流密度(單

18、位A/cm2),k1W為初級(jí)銅面積/窗口面積,其系數(shù)如附表1-2所示.應(yīng)用k1WK1K2單線圈電感0.70.030.021多線圈電感0.650.0270.019Buck/Boost電感0.30.0130.009反激變壓器0.20.00850.0061,電感設(shè)計(jì)(1)初始條件電感量L(單位H)流過(guò)電感最大峰值電流ISP(A)流過(guò)電感最大有效值電流Irmsm(A)電感電流最大紋波峰峰值Im(A) (2)設(shè)計(jì)步驟步驟1:依據(jù)電路工作頻率和使用場(chǎng)合,選擇合適的磁芯材料步驟2:選擇磁芯的最大工作磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm,確定最大工作磁感應(yīng)強(qiáng)度增量Bm步驟3:確定電感設(shè)計(jì)屬于損耗限制還是飽和限制以和紋波頻率配合,查

19、附圖1-6,求得磁芯比損耗.如果比損耗遠(yuǎn)小于0.1W/cm3,則磁芯受飽和限制,可以直接選用設(shè)定的Bm和由此得到的Bm;如果比損耗遠(yuǎn)大于0.1W/cm3,則磁芯受損耗限制,必須減小Bm,可以參考附圖1-6重新確定Bm并重新估算實(shí)際的Bm.步驟4:選擇損耗限制或飽和限制的面積法經(jīng)驗(yàn)公式,初選磁芯.步驟5:計(jì)算電感線圈匝數(shù)n式中:L單位為H,Im單位為A,Bm單位為T,AC單位為cm2步驟6:確定電感氣隙對(duì)應(yīng)電感實(shí)際工作時(shí)的最大工作磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm,有 (mm)式中:ISP為A,Bm單位為T步驟7:計(jì)算繞組的線徑和股數(shù).輸出濾波電感電流最大有效值為Irmsm,取電流密度為J,則繞組的導(dǎo)電面積為式中:

20、SW的單位為mm2,電流密度一般取J=35A/mm2.由于輸出濾波電感電流主要是直流分量,交流分量較小,因此集膚效應(yīng)影響不是很大,可以選用線徑較大的導(dǎo)線或扁銅線來(lái)繞制,只要保證足夠的導(dǎo)電面積就行.步驟8:核算磁芯窗口面積與變壓器的設(shè)計(jì)一樣,也要核算磁芯窗口的面積是否合適.要經(jīng)過(guò)多次反復(fù)計(jì)算,直到選擇合適的磁芯.單極性開關(guān)電源變壓器.反激變換器的高頻變壓器設(shè)計(jì)反激式電源變壓器其實(shí)是一個(gè)耦合電感,它也有兩種工作模式,電流連續(xù)模式(CCM)和電流斷續(xù)模式(DCM).對(duì)應(yīng)于本教材的內(nèi)容,本章僅介紹電流連續(xù)模式的反激式電源變壓器設(shè)計(jì)方法,對(duì)于電流斷續(xù)模式的設(shè)計(jì)方法,讀者可以自行參考相關(guān)設(shè)計(jì)資料.反激式電源的電路與工作波形如圖2-15和圖2-16所示,下面以這兩個(gè)圖為基礎(chǔ)介紹電流連續(xù)工作方式下反激式電源變壓器的設(shè)計(jì)原理(1)初始條件工作頻率f(Hz)開關(guān)變壓器初級(jí)輸入最高,最低電壓幅值U1max(V),U1min(V)變壓器初級(jí)激勵(lì)脈沖最大持續(xù)時(shí)間tonmax(s)(對(duì)應(yīng)最大占空比Dmax)變壓器初級(jí)最大電流峰值I1SP(A)直流電源輸出電壓Uo(V),電流Io(A)輸出整流電路的整流二極管壓降UD(V)(2)設(shè)計(jì)步驟步驟1:確定初級(jí)電感L1假定原邊繞組匝數(shù)為N1,副