磁性器件中磁芯的选用及设计

开关电源中使用的磁性器件较多，不同的器件对材料的性能要求各不相同。其中常用软磁器件的有：作为开关电源核心器件的主变压器(高频功率变压器)、共模扼流圈、高频磁放大器、滤波阻流圈、尖峰信号抑制器等。本文仅以高频功率变压器与脉冲变压器对磁芯材料的不同要求做阐述。

(一)、高频功率变压器

变压器铁芯的大小取决于输出功率和温升等。变压器的设计公式如下：

P=KfNBSI×10-6T=hcPc+hWPW

其中，P为电功率；K为与波形有关的系数；f为频率；N为匝数；S为铁芯面积；B为工作磁感；I为电流；T为温升；Pc为铁损；PW为铜损；hc和hW为由实验确定的系数。

由以上公式可以看出：高的工作磁感B可以得到大的输出功率或减少体积重量。但B值的增加受到材料的Bs值的限制。而频率f可以提高几个数量级，从而有可能使体积重量显著减小。而低的铁芯损耗可以降低温升，温升反过来又影响使用频率和工作磁感的选取。一般来说，开关电源对材料的主要要求是：尽量低的高频损耗、足够高的饱和磁感、高的磁导率、足够高的居里温度和好的温度稳定性，有些用途要求较高的矩形比，对应力等不敏感、稳定性好，价格低。单端式变压器因为铁芯工作在磁滞回线的第一象限，对材料磁性的要求有别于前述主变压器。它实际上是一只单端脉冲变压器，因而要求具有大的B=Bm-Br，即磁感Bm和剩磁Br之差要大，同时要求高的脉冲磁导率。特别是对于单端反激式开关主变压器，也称储能变压器，要考虑储能要求。

线圈储能的多少取决于两个因素：一个是材料的工作磁感Bm值或电感量L，另一个是工作磁场Hm或工作电流I，储能W=1/2LI2。这就要求材料有足够高的Bs值和合适的磁导率，常为宽恒导磁材料。对于工作在±Bm之间的变压器来说，要求其磁滞回线的面积，特别是在高频下的回线面积要小，同时为降低空载损耗、减小励磁电流，应有高磁导率，最合适的为封闭式环形铁芯，这种铁芯用于双端或全桥式工作状态的器件中。

通常，金属晶态材料要降低高频下的铁损是不容易的，而对于非晶合金来说，由于其不存在磁晶各向异性、金属夹杂物和晶界等，此外它还不存在长程有序的原子排列，其电阻率比一般的晶态合金高2～3倍，加之快冷方法一次形成厚度15～30微米的非晶薄带，特别适用于高频功率输出变压器。非金合金已广泛应用于逆变弧焊电源、单端脉冲变压器、高频加热电源、不停电电源、功率变压器、通讯电源、开关电源变压器和高能加速器等铁芯，其频率在20～50kHz、功率50kW以下，是变压器最佳磁芯材料。

(二)、脉冲变压器铁芯

脉冲变压器是用来传输脉冲的变压器。当一系列脉冲持续时间为td(μs)，脉冲幅值电压为Um(V)的单极性脉冲电压加到匝数为N的脉冲变压器绕组上时，在每一个脉冲结束时，铁芯中的磁感应强度增量ΔB(T)为：ΔB=Umtd/NSc×10-2，其中Sc为铁芯的有效截面积(cm2)，即磁感应强度增量ΔB与脉冲电压的面积(伏秒乘积)成正比。对输出单向脉冲时，ΔB=Bm-Br,如果在脉冲变压器铁芯上加去磁绕组时，ΔB=Bm+Br。在脉冲状态下，由动态脉冲磁滞回线的ΔB与相应的ΔHp之比为脉冲磁导率μp。理想的脉冲波形是指矩形脉冲波，由于电路的参数影响，实际的脉冲波形与矩形脉冲有所差异，经常会发生畸变。比如脉冲前沿的上升时间tr与脉冲变压器的漏电感Ls、绕组和结构零件导致的分布电容Cs成比例，脉冲顶降λ与励磁电感Lm成反比，另外涡流损耗因素也会影响输出的脉冲波形。

脉冲变压器的漏电感Ls=4βπ N21 lm/h

脉冲变压器的初级励磁电感Lm=4μπp Sc N2/l×10-9

涡流损耗Pe=Um d2td lF/12 N21 Sc

β为与绕组结构型式有关的系数，lm为绕组线圈的平均匝长，h为绕组线圈的宽度，N1为初级绕组匝数，l为铁芯的平均磁路长度，Sc为铁芯的截面积，μp为铁芯的脉冲磁导率，ρ为铁芯材料的电阻率，d为铁芯材料的厚度，F为脉冲重复频率。

从以上公式可以看出，在给定的匝数和铁芯截面积时，脉冲宽度愈大，要求铁芯材料的磁感应强度的变化量ΔB也越大；在脉冲宽度给定时，提高铁芯材料的磁感应强度变化量ΔB，可以大大减少脉冲变压器铁芯的截面积和磁化绕组的匝数，即可缩小脉冲变压器的体积。要减小脉冲波形前沿的失真，应尽量减小脉冲变压器的漏电感和分布电容，为此需使脉冲变压器的绕组匝数尽可能的少，这就要求使用具有较高脉冲磁导率的材料。为减小顶降，要尽可能的提高初级励磁电感量Lm，这就要求铁芯材料具有较高的脉冲磁导率μp。为减小涡流损耗，应选用电阻率高、厚度尽量薄的软磁带材作为铁芯材料，尤其是对重复频率高、脉冲宽度大的脉冲变压器更是如此。

脉冲变压器对铁芯材料的要求为：

①高饱和磁感应强度Bs值

②高的脉冲磁导率，能用较小的铁芯尺寸获得足够大的励磁电感

③大功率单极性脉冲变压器要求铁芯具有大的磁感应强度增量ΔB,使用低剩磁感应材料;当采用附加直流偏磁时，要求铁芯具有高矩形比，小矫顽力Hc。

④小功率脉冲变压器要求铁芯的起始脉冲磁导率高

⑤损耗小。

铁氧体磁芯的电阻率高、频率范围宽、成本低，在小功率脉冲变压器中应用较多，但其ΔB和μp均较低，温度稳定性差，一般用于对顶降和后沿要求不高的场合。

近年来发展起来的新型逆变弧焊电源单端脉冲变压器，具有高频大功率的特点，因此要求变压器铁芯材料具有低的高频损耗、高的饱和磁感Bs和低的Br以获得大的工作磁感B，使焊机体积和重量减小。常用的用于高频弧焊电源的铁芯材料为铁氧体，虽然其电阻率高而具有低的高频损耗，但其温度稳定性较差，工作磁感较低，变压器体积和重量较大，已不能满足新型弧焊机的要求。由于纳米晶环形铁芯其具有高的Bs值(Bs>1.2T)，高的ΔB值(ΔB>0.7T)，很高的脉冲磁导率和低的损耗，频率可达100kHz，采用它可使铁芯的体积和重量大为减小。近年来逆变焊机已应用纳米晶铁芯达几万只，用户反映用纳米晶变压器铁芯再配以非晶高频电感制成的焊机，不仅体积小、重量轻、便于携带，而且具有电弧稳定、飞溅小、动态特性好、效率高及可靠性高等优点。这种环形纳米晶铁芯还可用于中高频加热电源、脉冲变压器、不停电电源、功率变压器、开关电源变压器和高能加速器等装置中。可根据开关电源的频率选用磁芯材料。

环形纳米晶铁芯具有很多优点，但它也有绕线困难的不利因素。为了在匝数较多时绕线方便，可选用高频大功率C型非晶纳米晶铁芯。采用低应力粘结剂固化及新的切割工艺制成的非晶纳米晶合金C型铁芯的性能明显优于硅钢C型铁芯。目前这种铁芯已批量用于逆变焊机和切割机等。逆变焊机主变压器铁芯和电抗器铁芯系列有：120A、160A、200A、250A、315A、400A、500A、630A。

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