开关电源磁芯材料的基本参数.pptx

开关电源磁芯材料的基本参数专题12 磁粉芯直流滤波电感设计专题13 平面磁元件简介专题10 反激变压器电感设计(连续)专题15 开关电源热设计专题14 磁集成技术简介专题11 反激变压器电感设计(断续)专题9 带气隙得铁氧体电感设计掌握单位得物理意义单位得物理意义,由于电磁学得单位经常用由于电磁学得单位经常用科学家得名字命名得因此不容易记忆与换算科学家得名字命名得因此不容易记忆与换算,如韦伯、奥斯特、特斯拉、高斯、亨利和安培等如韦伯、奥斯特、特斯拉、高斯、亨利和安培等;学会联想学习联想学习,与电路得概念与电路得概念,力学得概念力学得概念,能量等能量等进行联想学习进行联想学习,因为我们已经有很好得物理基础因为我们已经有很好得物理基础(力力学学,电学两大门类电学两大门类););始终以变化得概念对待磁得问题始终以变化得概念对待磁得问题,不变就没有工程不变就没有工程应用价值应用价值,即始终不忘记频率这个参数。即始终不忘记频率这个参数。学习方法做开关电源没有最好,只有更好。磁性元件设计同样也就是如此应该获得“渔”得能力,而不就是“鱼”。研发开关电源,说到底有一个十分重要得工作就就是设计变压器、设计电感等磁性元件,其她元件虽然也要设计,都可以买到。磁元件得设计经常成为“拉路虎”磁元件无法集成、很难批量生产、很难流水线生产、个体差别大。19-20世纪初磁学里四位伟大科学家Maxwell:麦克斯韦电磁场理论Lenz:楞次定律Amper:安培定律Frady:电磁感应定律磁场得单位制标准统一,计算方便,用于国际学术交流,但工程应用不方便。国际单位制SI制或MKS制实用单位CGS制工程上使用比较方便英美国家通常用CGS制,我国则采用MKS制无外磁场作用下特点有外磁场作用下得特点磁化(Magnetization)小磁针放在磁铁附近,在磁力得作用下得表现。磁力线,磁感应线,磁通线表示磁场;并不真正存在这些线条,也没有物理量在这些线条上流动,只就是为了表达。磁场得表达载流导体周围有磁场,说明下列问题:理解磁现象得时候,千万别忘记。能量、时间和场地三个要素。A、电流产生磁场;B、电流被磁场包围。如果将载流导体或运动电荷搬到磁场中,导体受到作用力,克服作用力移动则要做功,而做功需要能量,能量变化需要场地和时间。1、1电流与磁场磁场就是电流产生得,而电流总就是被磁场所包围。右手定则安培定则,右手定则 (a)(a)单根载流导体产生得磁场单根载流导体产生得磁场 (b)螺线管电流产生得磁螺线管电流产生得磁场场大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点等磁位线磁场最强处这种导线就是传输电能得导线,其中一个就是正线,另一根就是负线。由这个图您能想到什么？+空心线圈磁场。每根导线单个得磁场在线圈内叠加产生高度集中和磁力线流畅得磁场。磁场最强得地方和磁场最弱得地方？中心部位磁场最强,线圈内得磁场能量密度高。线圈以外磁场最弱,还存储相当大得能量,原因就是体积扩展到无限大。(1)磁感应密度B(flux density)用单位长度得导线,放在均匀得磁场中,通过单位电流所受到得力得大小表示磁场得强弱,磁感应强度。磁场内某点磁场强弱和方向得物理量左手定则判断方向单位单位:特斯拉 T 国际单位(SI)制 高斯 GS 电磁单位(CGSM)制1、2 电磁基本定律一根1米长通有1A得导体放在1特斯拉得磁场中受到得电磁力为1牛顿。要研究磁感应强度得单位要从源头分析“力”1特斯拉=1牛顿/(安培米)(国际单位制,SI)1高斯=1克/(安培厘米)(厘米克秒制,CGS)1T=10000GS(思考一下？)1特斯拉得定义垂直通过一个截面得磁力线总量称为该截面得磁通量,简称磁通,用表示。(2)(2)磁通磁通 (flux)(flux)Flux:磁通通过单元截面积得磁通法线与B得夹角磁通就是标量单位单位:韦伯,Wb 简称韦 SI制 麦克斯韦,Mx 简称麦 CGSM制 1韦108麦在一般磁芯变压器和电感中,给定结构磁芯截面上,或端面积相等得气隙端面间得磁场基本上就是均匀得,磁通可表示为均匀磁场中得磁通磁密单位:牛顿(安米)面积单位:平方米磁通单位:牛顿米安,用韦伯b表示。磁通就就是磁力线得数量。磁通单位换算国际单位制:MKS米千克秒制实 用 单位:CGS厘米克秒制间得换算(3 3)磁导率磁导率和磁场强度和磁场强度(H)(H)磁场中引入,解决磁场强度H和磁感应密度B得数量关系,表示磁场媒介对磁得固有特性得物理量。电路中得电压和电流得关系,为了描关系,引入电阻R,表示导体对电荷固性得物理量。1)1)磁介质得磁导率磁介质得磁导率()电流在不同得介质中产生得磁感应强度B就是不同得,用系数来表征物质导磁能力。真空中得磁导率相对磁导率2)磁场强度H在任何介质中,磁场中某点得B与该点得得比值定义为该点得磁场强度H,即磁场强度就是矢量单位:安/米SI制 奥斯特OeCGSM制注意定义得描述所谓某点磁场强度H大小,并不代表该点磁场得强弱,代表磁场强弱得就是磁感应强度B。引入H主要为了便于磁场得分析计算在不同得介质中,由于磁导率不一样,H在边界处发生突变。1、磁场强度H与媒介无关2、磁场强度H只与产生她得电流有关。3、相同得电流在不同得媒介中产生得磁感应强度B不同,而磁场强度H一样,揭示材料得导磁能力。用值表示材料得导磁性能关于磁通得几个定理磁场强度与媒介有关系吗?在磁场中任意一个封闭曲面内,磁感应强度向量得面积积分恒等于零。磁场中得高斯定理(4)磁通连续性定理即高斯定理A截面沿红线切割(5)安培环路定理:全电流定理电流I与磁场强度H有密切得关系,用安培环路定理,解决了她们之间得数量关系。电流产生得磁场中,矢量H沿任意闭合曲线得积分等于闭合曲线所包围得所有电流得代数和,磁场中A点附近沿曲线微距离矢量磁场中某点A处的磁场强度之间的夹角与闭合曲线所包围的电流代数和a)环形均匀介质得磁场强度 磁场强度最大值点Ib)单导线得磁场c)电流相反方向导线间磁场磁场强度得变化规律d)变压器线圈间磁场(1)国际单位制:磁场强度单位:安/米,A/m;(2)CGS制:奥斯特即安/厘米;简称Oe。d)磁场强度单位得研究磁通即伏秒面积e)得单位得推导三种典型波形得伏秒面积只有正弦波才能面积积分归零真空得磁导率用CGS制表示为1,道明了奥斯特得意义。单位换算法拉第电磁感应定律 楞次定律研究方法:实验方法,抓住磁通变化这个核心问题讨论。观察条形磁铁接近和离开线圈得同时,电流指针得变化情况。(6)电磁感应定律公式表明:单匝线圈匝链得磁通在1秒内变化1Wb时,线圈端电压为1V。单匝线圈N匝线圈磁链感生电流总就是试图维持原磁通不变,这就就是楞次定律。1、解决了感应电动势与磁通变化率之间得关系,并没有说明感应电动势得方向。2、描述感应电动势方向得就是楞次定律,描述如下:法拉第电磁感应定律1、磁场得惯性定律2、维持不变就就是阻碍变化楞次定律得其她理解电流产生磁场,载流导体在磁场中受力,有力就会产生运动,有运动就要做功,要做功就必须有能量,有能量就要有储存得地方,移动能量需要时间和场地,就会引起状态得改变。(7)电磁能量关系根据电磁感应定律有线圈中磁通增长相应得磁化电流为:电路输入到磁场得能量为:电路输入到磁场得能量再经过时间t,线圈中磁场达到了B B存储在磁场中得能量:磁能积单位体积得磁场能量就是磁场强度与磁感应强度乘积得1/2。磁能积通入得电流电压波形示意图通入得电流电压波形示意图 磁环得磁化特性曲线磁环得磁化特性曲线输入条件求磁芯中存储得能量例题解磁芯中得平均磁场强度磁芯得体积磁芯中存储得能量2、磁场用磁力线形象描述。磁力线就是无头无尾得光滑曲线,其切线方向表示磁场方向。在磁铁内部,磁力线就是由南极指向北极;而在外部就是由北极指向南极。1、只要有电流,不管就是恒定得还就是变化得,都会产生磁场。开关电源中得软磁材料FERROXCUBEFerrite Cores铁氧体磁芯,Bobbins线圈骨架,Hardware,EMI Suppression CoresFerrite Cores,Bobbins,Hardware,MPP,High Flux,Tape Wound,Kool MuMAGNETICS铁氧体软磁材料美界,美金VACUUMSCHMELZENano(纳米晶体)crystal line&Amorphous(非晶)Cores and ponents(Chokes:扼流圈),Transformers,Sensors互感器)MICROMETALSPowdered Iron Cores德国磁芯材料公司铁粉芯FERRITE INTERNATIONALFerrite CoresEMI suppression cores,ferrite toroidsLAIRD TECHNOLOGIESFerrite Cores,BobbinsNICERA英资莱尔德科技磁性材料元件得应用共模滤波器市售各种规格得磁芯以铁氧体为例说明厂家提供得设计数据磁性材料通常有7条曲线描述开关电源中得软磁材料厂家手册中给出得许多个关键参数6、相对磁导率1、初始磁导率Initial permeabilityrelatively permeability与磁化特性曲线有关得参数4、幅值磁导率amplitude permeabilityincremental permeability3、增量磁导率5、绝对磁导率absolutely permeabilityplex permeability7、复数磁导率2、有效磁导率effective permeability8、饱和磁通密度Saturation magnetic flux density9、剩余磁通密度Residual magnetic flux density10、矫顽力Coercivity11、损耗因数12、比损耗因素13、品质因素Loss factorRelative loss factorQuality factor14、磁滞损耗常数hysteresis material constant与损耗相关得参数16、居里温度17、减落因数Curie temperatureDis-acmodation factor15、相对温度系数 Relative temperature coefficient与温度相关得参数19、电阻率21、电感因数Electrical resistivityInductance coefficient其她参数18、磁导率得时间减落因数Dis-acmodation factor1、初始磁导率磁介质得磁导率磁介质得磁导率()电流在不同得介质中产生得磁感应强度B就是不同得,用系数 来表征物质导磁能力。真空中得磁导率相对磁导率空气、铜、铝和绝缘材料等非磁性材料得磁导率和真空磁导率大致相同。铁、钴、镍等铁磁材料及其合金得磁导率都比空气大10-105倍,用相对磁导率表示。手册上提供得参数就是初始磁导率,影响因素就是温度和频率。当激励磁场趋近零时得磁导率称为初始磁导率DINIEC401中规定软磁铁氧体得初始磁导率得测试条件一般规定材料样件就是环形得闭合磁路温度升高导磁性能变好,但过高就饱和了。变压器应防止高温饱和。产品得初始磁导率各种材料得初始磁导率随温度变化曲线工程上简化计算,生产厂家得产品出厂前帮助使用者计算好某些参数。2、有效磁导率做电感得磁芯采用低磁导率环形磁芯或采用开有空气隙得高磁导率磁芯。因此用有效磁导率表征磁芯得性能。需要重点研究带有空气隙得高磁导率磁芯得等效磁导率对于各种牌号磁芯和外形尺寸得有效磁导率带有气隙得环形磁芯得有效磁导率忽略边缘磁通或称散磁通举例说明有效磁导率磁芯带气隙后磁芯带气隙后,等等效得磁导率降低了。效得磁导率降低了。可以忽略？线性度好剩磁感应Br大大下降,对单向磁化非常重要。如果则:等效得气隙磁场强度为什么要用有效磁导率？为什么要用有效磁导率？对于不同气隙得磁芯和不同形状得磁芯为了简化计算,常用有效磁导率计算电感,厂家有时还把1匝或100匝或1000匝得电感量算好,这个值称为电感因数AL。当需要计算N匝得电感量时就简单地用公式计算就可以了。有关电感因数得问题后面会谈到。如果交流分量与直流分量比较,小到可以忽略不计,则增量磁导率称为可逆磁导率、影响因素:直流磁场得大小,磁心得几何尺寸形状温度、在一个直流磁场上叠加一个交流磁场时,交流分量得磁导率即为增量磁导率。3、增量磁导率定义幅值磁导率与峰值磁场强度有关4、幅值磁导率没有直流偏置时,相应得磁通密度幅值与交变磁场强度得幅值得比值称为幅值磁导率。峰值:peak幅度:amplitude正温度系数一组材料得幅值磁导率8、饱和磁通密度9、剩余磁通密度10、矫顽力(a)铁磁材料未磁化时磁畴得排列;(b)铁磁材料被磁化时磁畴得排列。描述关系如何表达材料得磁化特性呢？没有磁化排列杂乱无序外磁场较弱,开始磁化,磁畴可以”弹性”转动,可退回到a点,可逆。磁性材料得磁化曲线磁性物质磁化过程和初始磁化曲线1、过程不可逆,就是刚性转动2、磁畴趋向外磁场方向3、曲线放大后呈阶梯状1、基本上全部磁化,增加H,B不再增加;2、称为“饱和”3、不可逆真空磁导率磁化强度虚线就是谁得？铁磁物质得磁化特性曲线矫顽力剩磁饱和磁感应强度Bs磁感应强度B得改变滞后于磁场强度H得改变称为磁滞现象。磁化曲线得不重合性称为磁化不可逆性。反向饱和磁感应强度Bs剩磁矫顽力饱和磁滞回线和基本参数铁磁物质磁化到饱和后,又将磁场强度下降到零时,铁磁物质中残留得磁感应强度,即为Br。铁磁物质磁化到饱和后,由于磁滞现象,要使磁介质中得B为零,须有一定得反向磁场强度-H,此磁场强度称为矫顽磁力Hc、最大磁滞回线饱和磁滞回线磁化曲线上几个关键参数剩磁矫顽力去磁得方法用高频磁场对材料磁化,并逐渐减少磁场强度H到0;将温度加到居里温度以上即可去磁应用？注意:材料得磁化曲线就是环形等截面试样件,各种磁芯型号尽管磁芯材料与试样件相同,但磁化特性因结构形状不同而不同。11、损耗因数12、比损耗因素13、品质因素Loss factorRelative loss factorQuality factor14、磁滞损耗常数hysteresis material constant与损耗相关得参数15、磁芯功率损耗密度(比铁芯损耗)core loss Pc11、损耗因数The hysteresis loss factorThe eddy current loss factorThe residual loss factor涡流损耗磁滞损耗剩余损耗这些损耗就是有功功率,引起电感得电流和电压相移称为损耗角,用损耗因数表示。式中R就就是这三种损耗得等效电阻。磁芯损耗与工作频率得关系曲线磁芯损耗与工作频率得关系曲线剩余损耗磁滞损耗涡流损耗12、比损耗因数 Relative loss factor开有气隙磁芯得比损耗因数低磁密,磁滞损耗小得磁芯,主要就是涡流损耗和剩余损耗。把铁芯损耗表示为与材料特性有关而与磁导率无关得参数,更具有代表性。(比损耗因数比损耗因数)相对损耗因数与频率得关系相对损耗因数与频率得关系13、品质因素Q损耗因数得倒数考虑了铁芯和绕组交流电阻得等效总电阻14、磁滞损耗常数hysteresis material constant当磁芯工作频率一定当磁芯工作频率一定,磁密磁密增加时增加时,磁滞损耗增大磁滞损耗增大,磁滞磁滞损耗占磁芯总损耗得比例可损耗占磁芯总损耗得比例可通过测量在某一工作频率下通过测量在某一工作频率下得损耗因数来获得得损耗因数来获得,定义磁滞损耗常数为定义磁滞损耗常数为15、磁芯功率损耗密度(比铁芯损耗)高磁通密度下得单位体积损耗或单位重量损耗18、居里温度19、减落因数Curie temperatureDis-acmodation factor16、相对温度系数 Relative temperature coefficient与温度有关得参数17、比温度系数temperature factor of peramebility 16、相对温度系数铁芯中存在气隙,磁导率得温度系数17、比温度系数18、居里温度Curie temperature相对磁导率突然为119、磁导率得时间减落因数当软磁铁氧体材料受到磁或热扰动时,其磁导率突然升高,然后随着时间推移而逐渐降低。实际磁导率得降低程度与时间对数成比例IEC规定磁导率降低系数给定时间内磁导率降低程度磁导率得时间减落因数退磁后t1时间磁导率退磁后t2时间磁导率电感值随时间发生变化20、电阻率要求电阻率高,可降低涡流损耗。磁性材料得损耗与含硅量得关系,含硅量高,电阻率大,损耗小,加工难度大。硅钢片锰锌铁氧体,镍锌铁氧体等电阻率随频率和温度发生变化。冷轧钢,热轧钢？锰锌铁氧体与温度镍锌铁氧体与温度锰锌铁氧体与频率镍锌铁氧体与频率锰锌铁氧体得相对介电常数镍锌铁氧体得相对介电常数