磁性元件的设计演示幻灯片.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,磁性元件是,储能,、,能量转换,及,电气隔离,所必备的电力电子器件；,磁性元件主要包括,变压器,和,电感,两大类；,磁性元件由,铁芯,和,绕组,构成。,一、概述,第四讲 磁性元件的设计,1,体积和重量分别占总体积的,20%-30%,，占总重量的,30%-40%,；,参数选择影响输入输出的纹波和系统动态特性；,寄生参数影响器件的电流应力和电压应力；,损耗影响整机的变换效率。,磁性元件需要综合考虑系统的,成本,、,体积,、,重量,和,性能指标要求,，其无法由市场上买到的，必须,专门设计,。,2,二、磁性材料的基本知识,1、磁滞回线,反复磁化时，铁芯中任一点的磁感应强度B与磁场强度H之间的关系曲线B=f(H)。,基本磁化曲线,3,真空的绝对磁导率：,2、磁导率,相同的磁场强度,H,，在不同的磁介质中产生的磁感应强度,B,是不同的，即不同介质导磁能力不一样。,磁场介质,非铁磁材料（如空气、油等）,=,0,铁磁材料（如：铁、镍等）,0,绝对磁导率,4,相对磁导率,具有气隙或者非均匀截面的铁芯，各段磁路中的,值,不同。,常用环形均匀铁芯来等效，其磁导率即为,等效磁导率,e,。,初始磁导率,i,和最大磁导率,m,均为相对磁导率。,等效磁导率,5,3、居里温度,4、电感系数,电感系数,：铁芯上绕1匝线圈产生的自感量。,电感,铁磁材料,顺磁体,=,0,（温度,高于,居里温度）,铁磁体,0,（温度,低于,居里温度）,6,5、加气隙后磁滞回线的变化,有气隙,添加气隙后，等效磁导率下降，导致B=f(H)的斜率变小。,无气隙,7,磁路中任意一点的磁密都相等。当磁通密度达到该铁芯材料的B,s,时，铁芯就会饱和，与是否有气隙无关。因此，无论气隙多大，铁芯磁饱和时的磁密不会变。,8,6、铁芯储能,若为线性磁路，则可视为线性电感。,9,7、铁芯损耗,磁滞损耗,10,交变磁场在在铁芯中引起涡流，从而产生,涡流损耗,Q,e,，,其与交变频率、钢带厚度和电阻率有关。,磁滞损耗,Q,h,正比于,铁芯的,磁滞回线的面积,。,B铁耗,铜耗,磁滞损耗,涡流损耗,磁性元件损耗,涡流损耗,11,三、铁芯的工作状态,1、分类,励磁方式,双向磁化,第类,单向磁化,第类,第类,变压器、交流滤波电感,单端变换器中的变压器,直流滤波电感,12,2、第类工作状态,铁芯线圈的外加,纯交流励磁电压,u，,励磁电流双向流动,。,13,S,+,为电压u在(0-T/2)区间内的积分，也即：u波形与横轴（0-T/2）包围区域的面积，其单位（伏秒）。,t:(0-T/2),t,:(T/2-T),同理，有：,14,只要,伏秒平衡,，则铁芯必能,磁复位,。,若铁芯磁化能进入稳态，则伏秒必定是平衡的。,磁通变化量为,两倍最大磁通,。,15,3、第,类工作状态,铁芯的,励磁电流单方向流动,。,选,B,s,高的铁芯；,铁芯开气隙，以降低,B,r,。,铁芯利用率很低,16,4、第,类工作状态,励磁电流单方向流动,。,励磁电流的交流分量很小，铁耗很小，主要是铜耗。,励磁电流的直流分量很大，为了避免铁芯饱和，需要添加气隙。,17,四、常用的铁芯材料,1、冷压硅钢带,B,s,很大，约为,0.61.9T,工作频率不高于,1kHz,，适用于电力变压器和交流电感。,50Hz-0.35mm,400Hz-0.2mm,1kHz-0.1mm,损耗与含硅量、厚度和工作频率有关。工作频率高，则选高硅薄带。,18,2、软磁铁氧体,陶瓷,磁性材料，呈暗灰色或者黑色，质地非常坚硬、,脆而易碎,。分为,锰锌铁氧体,或,镍锌铁氧体,。,电阻率是硅钢片的百万倍，涡流损耗极小，工作频率可达,几,kHz,几千,kHz,，适用于,小功率,、高频功率变压器、谐振电感和直流滤波电感。,B,s,较低，一般,不超过,0.5T,，,且随温度上升而明显下降,。,居里温度较低,，一般低于,350,。,主要厂家有：,康达、金宁、,飞利浦、,TDK,等。,19,环形,没有气隙，散磁少但容易饱和；,结构简单，不需要骨架，适合自己绕制；,窗口宽，散热条件好！,矩形截面，不适合粗导线绕线！,线圈均匀绕在铁芯上，最适合做电感！,铁氧体铁芯在通信电源和开关电源中应用十分广泛，其结构形式多种多样，需要根据应用场合进行相应的选择。,罐形,圆柱形截面，绕线匝长较矩形截面短；,罐体可以很好的磁屏蔽；,线圈之间耦合较好，漏磁极小；,窗口宽度小，不好散热，适合小功率；,出线缺口小，引出线困难！,20,EE形,EI形,截面积很大，窗口宽，可以减少匝数和层数，漏磁小；,形状简单，规格齐全、便于设计；,窗口面积大，易于出线和散热，适合大功率场合；,矩形截面，易并列扩展功率，但不适合粗导线绕线；,EC/ETD形,形状简单，便于设计；,圆形截面，导线长度减小，铜耗减小，且适合粗导线绕线；,线圈耦合较好，漏磁较小。,21,3、磁粉芯,内部有很多非铁磁材料，相当于开了气隙，因此相对磁导率很低，约为,10500,。,不需要另外开气隙，不易饱和，能存储很大能量，适合做储能电感和反激变压器的铁芯。,等效气隙宽度是变化的，因此等效磁导率非线性，,B-H,曲线没有线性区，而是缓慢进入饱和。,将极细的磁性材料粉末和非铁磁材料混合在一起，模压、固化成,环型铁芯,。,22,铁粉芯,由铁粉和有机材料粘合而成；,相对磁导率为,1075,之间；,成本很低；,材料很软；,铁芯损耗相当大。,铁硅铝,由,6%,的铝、,9%,的硅和,85%,的铁组成；,相对磁导率为,26,、,60,、,75,、,90,和,125,；,成本较低；,材料硬；,铁芯损耗较小。,应用较广！,没人用啦！,23,铁镍磁粉芯,50%,铁粉和,50%,的镍粉粘合而成；相对磁导率为,14200,之间；,成本很高；,磁通密度最高，达,1.5T,；,铁芯损耗介于铁硅铝和铁粉芯之间。,MPP,粉末芯,由,2%,的钼、,81%,的镍和,17%,的铁组成；,相对磁导率为,14550,；,价格昂贵；,温度稳定性最佳；,铁芯损耗最小；,磁通密度最低。,用于军品！,用于军品！,24,4、铁镍软磁合金（坡莫合金）,相对磁导率极高，一般在,20000,以上；,极低的矫顽力，磁滞回线很窄，磁滞损耗很小；,矩形比,B,r,/,B,m,很高，适合做变压器；,温度稳定好，但是价格较高；,电阻率非常低，涡流损耗大，适合几,kHz,的场,合；为了减小涡流损耗，一般碾压成带料。,超级坡莫合金,IJ851,可以工作于,100kHz,，其铁耗,小于铁氧体。,25,5、非晶合金和微晶合金,采用冷却速度大约为10,6,/s的超急冷凝固技术，从钢液到薄带成品一次成型。由于合金凝固时原子来不及有序排列结晶，故没有晶粒存在，称为,非晶态合金,，也称,金属玻璃,。,太贵,低廉,26,6、宽恒导磁合金,在很宽的磁场强度范围内具有恒定的磁导率；,B,s,很高；,不用开气隙，设计简单，且,EMI,小；,电阻率高，涡流损耗小，适合高频工作。,适合做高频电感和反激变换器铁芯。,太棒了！,27,总 结,硅钢片,：大功率（5kW）、低频（50Hz-400Hz）,铁氧体,：中小功率（1kW）、高频（几十kHz几百,kHz）,磁粉芯,：非线性电感，中小功率（1kW）,、中频,（几kHz-几十kHz）,宽恒导,：电感，中小功率、高频（几十kHz）,铁基非晶,：类似于硅钢片,钴基非晶,：小功率（250W）、高频（几十kHz-几,百kHz）,铁镍基非晶,：中小功率（1kW）、高频（几十kHz）,28,五、变压器和电感的设计,1、集肤效应,导线中流过交变电流时，导线横截面上的电流分布不均匀，内部电流密度小，而边缘部分的电流密度大。,导线有效截面积减小，电阻增大。,与交变频率有关，频率越大，效,应越显著。,常用穿透深度,来表征有效截面,积减少的程度。,绕组导线线径小于,2,倍穿透深度。,29,2、漏磁,只穿过一次绕组，不穿过二次绕组的磁通称为,一次侧漏磁通,；只穿过二次绕组，不穿过一次绕组的磁通称为,二次侧漏磁通,。,用漏感来表征漏磁，其导致很大的电压尖峰。,选择合适的铁芯结构：罐形、环形或者,EC/ETD,型。,采用恰当的绕制方法：,原副边夹绕,、减小匝数、增,加绕组的高度、减小绕组厚度。,30,3、直流滤波电感的设计,电感量L、电流平均值I,av,、电流纹波,I。,设计前已知的物理量,设计步骤（带气隙铁芯）,铁芯工作在第,种工作状态；,电流中存在很大的直流分量；,铁芯中存在较大的直流偏磁；,为避免饱和，采用加气隙铁芯,或者宽恒导磁合金铁芯；,铁耗很小，饱和限制,B,m,选择。,31,第一步：选择铁芯型号,根据选择的铁芯材料，确定最大工作电流I,m,对应的磁密B,m,。,第二步：计算绕组匝数,添加了气隙，磁路不饱和，因此为线性。,32,第三步：计算气隙长度,带气隙铁芯的磁阻即为气隙磁阻。,矩形芯柱,圆形芯柱,第四步：校验气隙长度,合理气隙长度,33,第五步：计算导体尺寸,由于电流主要为直流分量，交流分量很小，所以忽略集肤效应；其电流有效值近似为电流平均值。,导体截面积,第六步：校验窗口面积,34,4、桥式变换器的高频变压器设计,铁芯工作在第,种工作,状态；,B=2,B,m,；,铁耗较大；,采用铁氧体或者铁基微,晶铁芯。,输入电压：,U,in,min,U,in,max,输出电压：,Uo,输出电流：,I,o,max,=,P,o,max,/,U,o,开关频率：,f,s,最大占空比：,D,max,设计前已知的物理量,35,第一步：选择铁芯型号,根据选择的铁芯材料，确定最大工作磁密B,m,。,开关频率,50kHz,此时铁耗较小，饱和限制磁密选择。,若没有软启动，则选前者；若已有软启动，则选后者。,36,开关频率,50kHz,此时铁耗明显增大，所以铁耗限制磁密选择。,按照工作频率，在磁芯损耗曲线上按比损耗100200kW/m,3,选择B。,37,第二步：计算绕组匝数,计算原边匝数,38,最低输入电压且最大负载时达到最大占空比。为了保证能在任何输入电压下都能输出所要求电压，变压器的匝数必须在最低输入电压、额定输出电流下设计。,计算副边匝数,半波整流,39,全桥整流,40,倍流整流,41,第三步：计算导体尺寸,由于电流主要为交流分量，必须考虑集肤效应。,导体截面积,第四步：校验窗口面积,42,5、单端正激变换器的高频变压器设计,铁芯工作在第,种工作,状态；,B=,B,m,-B,r,；,铁耗较大；,采用铁氧体或者铁基微,晶铁芯。,输入电压：,U,in,min,U,in,max,输出电压：,U,o,输出电流：,I,o,max,=,P,o,max,/,U,o,开关频率：,f,s,最大占空比：,D,max,设计前已知的物理量,43,第一步：选择铁芯型号,根据选择的铁芯材料，确定最大工作磁密B,m,。,开关频率,50kHz,此时铁耗较小，饱和限制磁密选择。,若没有软启动，则选前者；若已有软启动，则选后者。,44,开关频率,50kHz,此时铁耗明显增大，所以铁耗限制磁密选择。,按照工作频率，在磁芯损耗曲线上按比损耗100200kW/m,3,选择B。,45,第二步：计算绕组匝数,计算原边匝数,46,计算副边匝数,47,第三步：计算导体尺寸,由于电流主要为交流分量，必须考虑集肤效应。,导体截面积,第四步：校验窗口面积,48,