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1、第三章 開關(guān)電源中磁性器件設(shè)計(jì),3.1 磁性器件設(shè)計(jì)基礎(chǔ),一 磁性能參數(shù),1 磁感應(yīng)強(qiáng)度 B,* 方向：右手定則,* 單位：特斯拉（ T）、 高斯（GS），1 GS =10-4 T,* 表征磁場(chǎng)中某一點(diǎn)的磁性強(qiáng)弱和方向的矢量,2 磁場(chǎng)強(qiáng)度 H,* 單位：安培/米 （ A/m）、奧斯特 （ Oe）,* 單位：韋伯（1Wb=1VS（伏秒）、 麥克斯韋（Mx）,3 磁通,* 穿過垂直于B方向的面積S中的磁力線總和，即,* 1 Wb =108 Mx,4 磁導(dǎo)率,* 是表征磁場(chǎng)中鐵芯磁性能的物理量，可用來衡量磁介質(zhì)導(dǎo)磁能力。,* 磁導(dǎo)率決定了某點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系，即：,* 1 Oe =103/

2、4（ A/m）,（2）初始磁導(dǎo)率,（1）真空磁導(dǎo)率,* 磁導(dǎo)率在磁介質(zhì)中不是常數(shù)。,* 是磁性材料磁化曲線 始端磁導(dǎo)率的極限值，即：,* B 特斯拉（ T）、H 安培/米 （ A/m）,（3）有效磁導(dǎo)率e,* 在閉合磁路中（漏磁可忽略），有效磁導(dǎo)率為,（4）最大磁導(dǎo)率,（5）動(dòng)態(tài)磁導(dǎo)率,5 溫度系數(shù),其中,L：線圈自感、N：線圈匝數(shù),Ae：磁芯截面積、l：磁路長度,磁導(dǎo)率中的最大值,在磁化曲線上各點(diǎn)切線的斜率，表示該點(diǎn)附近磁感應(yīng)強(qiáng)度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的情況。,* 溫度在T1T2范圍內(nèi)變化時(shí)，溫度每變化一度相應(yīng)磁導(dǎo)率的相對(duì)變化量，即：,* 單位,7 電感因數(shù)AL,6 居里溫度,* 確定了磁性器件工作

3、的上限溫度，如鐵氧體為 450度。,* 1、2分別是溫度為T1、T2時(shí)的磁導(dǎo)率。,* 鐵磁物質(zhì)的磁化強(qiáng)度隨溫度過度升高將會(huì)下降，當(dāng)達(dá)到某一臨界溫度時(shí)，自發(fā)磁化（即磁疇）便消失，這一臨界溫度稱居里溫度。,* 具有一定形狀和尺寸的磁芯上每匝線圈產(chǎn)生的自感量，稱為自感系數(shù)，即：,二 磁芯損耗,* 對(duì)于一定規(guī)格的磁芯，有效磁導(dǎo)率與自感系數(shù)有如下關(guān)系，即：,* C是與磁芯尺寸有關(guān)的常數(shù),* 指磁芯在最大磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)的單位體積損耗，主要包括磁滯損耗(Ph)、渦流損耗(Pe)和剩余損耗(Pc) ，即：,1 磁滯損耗(Ph),* 磁滯損耗是不可恢復(fù)能量，轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉。,* 每磁化一個(gè)周期，就要損耗與磁滯回

4、線包圍面積成正比的能量，頻率越高，損耗功率越大。,三 磁路基本定律（復(fù)習(xí)）,1 磁通連續(xù)原理,2 安培環(huán)路定律,3 磁路歐姆定律,4 法拉第電磁感應(yīng)定律,* 在工作頻率一定時(shí)，減小磁性材料厚度及提高其電阻率可減小渦流損耗。,* 磁感應(yīng)強(qiáng)度擺幅越大，包圍面積越大，損耗也越大。,2 渦流損耗(Pe),* 渦流電阻取決于材料的截面尺寸和電阻率。,* 在工作頻率一定時(shí)，降低矯玩力可有效降低磁滯損耗。,* 為減少渦流損，可將低電阻率的磁合金材料碾軋成薄帶，用相互絕緣的n 片薄帶疊成相同截面積磁芯代替整塊磁芯。,（4）測(cè)量電壓或電流,四 磁性器件在電源中的作用,1 變壓器的作用,（1）電氣隔離,（2）通過

5、調(diào)節(jié)變比進(jìn)行升降壓,（3）傳遞能量或信號(hào),2 電感的作用,（1）儲(chǔ)能,（4）與電容產(chǎn)生諧振,（2）濾波,（3）抑制尖峰電壓或電流,3.2 磁性材料和性能,一 磁芯的磁特性,1 磁化特性（B-H曲線）,2 磁飽和特性,* 磁感應(yīng)強(qiáng)度隨外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化曲線,* 所謂磁特性就是指磁感應(yīng)強(qiáng)度與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系,* 當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度足夠大時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到一個(gè)確定的飽和值，再繼續(xù)增大磁場(chǎng)強(qiáng)度，磁感應(yīng)強(qiáng)度保持不變。,* 曲線上的Bs稱飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。,3 磁滯特性,將磁性材料沿磁化曲線OS 由完全去磁狀態(tài)磁化到飽和Bs，如再將外磁場(chǎng)H 減小，B 值將不再按照原來的初始磁化曲線（OS）減小，而是更加緩慢地沿較

6、高的B 減小。即使外磁場(chǎng)H=0 時(shí)，B0。這種磁化曲線與退磁曲線不重合特性稱為磁化的不可逆性。,* 磁滯現(xiàn)象,* 磁化的不可逆性,磁感應(yīng)強(qiáng)度B 的改變滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度H 的現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象。,* 剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br,磁性材料磁化到飽和后，又將磁場(chǎng)強(qiáng)度下降到零時(shí)，磁性材料中殘留的磁感應(yīng)強(qiáng)度，即稱為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，簡(jiǎn)稱剩磁。,* 矯頑力Hc,* 矩形系數(shù),磁芯磁化到飽和后，由于磁滯現(xiàn)象，要使磁介質(zhì)中B 為零，需有一定的反向磁場(chǎng)強(qiáng)度-H，此磁場(chǎng)強(qiáng)度稱為矯頑力Hc。,也稱矩形比，是剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br與飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs之比。,可用來表征磁芯材料特性矩形程度的參數(shù)。,具有高矩形系數(shù)的磁芯材料適合于作以強(qiáng)非

7、線性磁特性為原理的器件。,1 磁芯線圈的外加激勵(lì)電壓是一個(gè)純交變量,二 工作狀態(tài),* 是正負(fù)半周的波形,* 幅值及導(dǎo)通脈沖寬度相同,* 如推挽式或全橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),* 特點(diǎn)及對(duì)磁芯的要求, 磁感應(yīng)強(qiáng)度B在Bm之間變化，其變化量,磁芯利用率高，一般取BmBs。,Bs越大， Bm可取得大，磁芯的體積、重量就可減小，所以應(yīng)選取高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的材料。, 磁芯損耗大,應(yīng)選取磁滯回線窄及電阻率高的材料,磁芯沿整個(gè)磁滯回線交替變化，所以損耗較大。,工作頻率高時(shí)，尤為突出。, 為減小激勵(lì)電流，應(yīng)選高磁導(dǎo)率的材料。,(2) 加在磁芯線圈的激勵(lì)電壓為單向脈沖,* 一般是矩形，如單端正激的變壓器或驅(qū)動(dòng)變壓器等。,

8、磁滯損耗小,(3) 流過線圈的電流中具有較大的直流分量,* 疊加一交流分量,* 特點(diǎn)及對(duì)磁芯的要求, ，為不使磁芯飽和，應(yīng)取BmBs。,* 磁芯的磁化狀態(tài)沿局部磁滯回線變化,* 直流濾波電感，儲(chǔ)能電感等工作于此狀態(tài)。,即：, 磁芯利用率低，為增加 ，應(yīng)選高Bs、低剩磁的材料。, 雖然加氣隙，可降低剩磁，但氣隙大會(huì)增加激勵(lì)電流，增加銅損。, 交變磁化分量小、損耗小。, 含較大直流分量，為使磁芯不飽和，必須加適當(dāng)?shù)臍庀丁?三 常用磁性材料, 此類磁芯希望其最大儲(chǔ)能大，要求最大磁感應(yīng)強(qiáng)度大。,* 特點(diǎn)及對(duì)磁芯的要求,* 如果磁滯回線很寬，即Hc 很高，需要很大的磁場(chǎng)強(qiáng)度才能將磁材料磁化到飽和，同時(shí)需

9、要很大的反向磁場(chǎng)強(qiáng)度才能將材料中磁感應(yīng)強(qiáng)度下降到零，我們稱這類材料為硬磁材料。,* 按磁滯回線寬窄，把磁性材料分為軟磁性材料和硬磁性材料兩大類。,* 如鋁鎳鈷，釤鈷，釹鐵硼合金等永久磁鐵，常用于電機(jī)激磁和儀表產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)。這類材料磁化曲線寬，矯頑磁力高。,軟磁性材料：磁滯回線較窄，矯頑力小。,硬磁性材料：磁滯回線較寬，矯頑力大，剩磁大。,* 另一類材料在較弱外磁場(chǎng)作用下，磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到很高的數(shù)值，同時(shí)很低的矯頑磁力，即既容易磁化，又很容易退磁，這類材料為軟磁材料。,* 開關(guān)電源主要應(yīng)用軟磁材料。屬于這類材料的有電工純鐵、電工硅鋼、鐵鎳軟磁合金、鐵鈷釩軟磁合金和軟磁鐵氧體、非晶態(tài)合金等。,對(duì)比：

10、,（1）鐵氧體的組成,1 鐵氧體,在開關(guān)電源中，應(yīng)用得最多的材料是軟磁鐵氧體。,* 鐵氧體是深灰色或黑色陶瓷材料，質(zhì)地既硬又脆，化學(xué)穩(wěn)定性好。,* 鐵氧體成分一般是氧化鐵和其它金屬成分組成MeFe2O3。其中Me 表示一種或幾種2 價(jià)過渡金屬，如錳(Mn)，鋅(Zn)，鎳(Ni)，鈷(Co)，銅(Cu)，鐵(Fe)或鎂(Mg)。,* 最普通的組合是錳和鋅(MnZn) ，或鎳和鋅(NiZn)，再加入其它金屬，達(dá)到所希望的磁特性。,* 鎳鋅(NiZn)鐵氧體具有更高的電阻率，因此它適合工作在1MHz 以上的場(chǎng)合。,* 而錳鋅(MnZn)鐵氧體電阻率較低，通常工作在1MHz 以下，但具有很高的磁導(dǎo)率

11、和較高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。,（2）鐵氧體應(yīng)用參數(shù),* 鐵氧體除了一般磁材料的參數(shù)外，還有有效磁芯尺寸、電感系數(shù)等。,* 為了使磁芯電感容易計(jì)算，給出電感系數(shù)AL，它表示磁芯具有1 匝（或規(guī)定整數(shù)匝，例如1000 匝）線圈時(shí)的電感量。,* 如果線圈為N 匝，電感量為：,* 當(dāng)AL 為1000 匝時(shí)電感量，N 匝線圈電感量為：,（3）材料性能, 電阻率(),錳鋅鐵氧體0.120m、鎳鋅鐵氧體為104106m。,電阻率還與溫度和測(cè)量頻率有關(guān)。, 磁化曲線,右圖是某型號(hào)鐵氧體的低頻磁滯回線,由于在鐵氧體中存在粘結(jié)劑，與磁粉芯類似的原因，飽和過程是緩慢的。,(4) 優(yōu)點(diǎn),* 電阻率高,* 磁導(dǎo)率隨頻率的變化

12、特別穩(wěn)定,* 形狀、種類豐富，應(yīng)用方便,* 可廣泛用于變壓器電感等磁性器件的設(shè)計(jì),(5) 缺點(diǎn),* 飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度小,* 溫度穩(wěn)定性差,* 力學(xué)性能差、脆,磁芯損耗和工作頻率與磁感應(yīng)強(qiáng)度變化范圍有關(guān)，可參考趙修科開關(guān)電源中磁性元器件。,磁化曲線與溫度的關(guān)系，在100時(shí)，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度由常溫（25）的0.42T 下降到0.34T。因此，在選擇磁芯時(shí)應(yīng)考慮這一因素。, 損耗,（6）形狀和規(guī)格,罐形,PQ形,EE形,EI形,U形,* 是一種由幾類材料復(fù)合而成的復(fù)合型鐵芯,* 由于是將磁性材料與非導(dǎo)磁材料粉末復(fù)合而成，相當(dāng)于在鐵芯中加了氣隙，具有在較高磁場(chǎng)強(qiáng)度下不飽和的特點(diǎn)。,* 但其相對(duì)磁導(dǎo)率較低，

13、通常在20300之間，主要用于制作濾波電感，其結(jié)構(gòu)以環(huán)形為主。,2 磁粉芯,3 非晶態(tài)合金,* 非晶合金是近20年剛剛發(fā)展起來的一種新型磁性材料,* 它們?cè)诨瘜W(xué)成分上的一個(gè)共同點(diǎn)是：由兩類元素組成：一類是鐵磁性元素（鐵、鈷、鎳或者他們的組合），它們用來產(chǎn)生磁性；另一類是硅、硼、碳等，它們稱為類金屬，也叫做玻璃化元素，有了它們，合金的熔點(diǎn)比純金屬降低了很多，才容易形成非晶。,（1）什么是非晶合金和微晶合金,非晶合金是將金屬合金加熱后由氣態(tài)或液態(tài)從超薄間隙快速噴出，快速冷卻（每秒幾萬度）所形成的非晶體狀態(tài)微米級(jí)超薄金屬帶。,微晶合金則是對(duì)鐵基非晶合金經(jīng)過處理而形成的更薄的金屬帶。,（2）非晶合金的

14、分類, 特點(diǎn)是磁性強(qiáng)（飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度可達(dá)1.4-1.7T）、軟磁性能優(yōu)于硅鋼片；,* 鐵基非晶合金：, 主要元素是鐵、硅、硼、碳、磷等；, 價(jià)格便宜，最適合替代硅鋼片，作為于中低頻變壓器的鐵芯（一般在10千赫茲以下）；, 例如配電變壓器、中頻變壓器、大功率電感、電抗器等。, 例如漏電開關(guān)、互感器。,* 鐵鎳基非晶合金：, 主要由鐵、鎳、硅、硼、磷等組成；, 磁性比較弱（飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大約為1T以下）；, 價(jià)格較貴，但磁導(dǎo)率比較高，可以代替硅鋼片或者坡莫合金，用作高要求的中低頻變壓器鐵芯；,* 鈷基非晶合金：, 由鈷和硅、硼等組成，有時(shí)為了獲得某些特殊的性能還添加其它元素；, 由于含鈷，價(jià)格很貴

15、，磁性較弱（飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度一般在1T以下），但磁導(dǎo)率極高；, 一般用在要求嚴(yán)格的軍工電源中的變壓器、電感等，替代坡莫合金和鐵氧體。,* 鐵基納米晶合金（超微晶合金）：, 它們由鐵、硅、硼和少量的銅、鉬、鈮等組成，其中銅和鈮是獲得納米晶結(jié)構(gòu)必不可少的元素；, 首先被制成非晶帶材，然后經(jīng)過適當(dāng)退火，形成微晶和非晶的混合組織；, 這種材料便宜，但磁性能極好，幾乎能夠和鈷基非晶合金相媲美；, 是工業(yè)和民用中高頻變壓器、互感器、電感的理想材料，也是坡莫合金和鐵氧體的換代產(chǎn)品。,（3）非晶合金和微晶合金的特點(diǎn),* 電阻率可達(dá)120150，為冷軋硅鋼片的3倍，但遠(yuǎn)不如鐵氧體；,* 電阻溫度系數(shù)小，可以為零或

16、負(fù)值；,* 居里溫度高，可達(dá)350700C；,* 飽和磁密度高，可達(dá)1.21.6T，比鐵氧體高得多；,* 矯頑力小，為硅鋼片的幾十分之一，鐵芯損耗小；,* 溫度穩(wěn)定性不好，從25 C升到250 C時(shí)，Bs 降低30 ， Hc增大20%；,* 常見的形狀有環(huán)形和矩形。,（4）形狀和規(guī)格,* 由于比較脆，所以一般都制成環(huán)形或比較簡(jiǎn)單的閉合式C型（近似矩形）鐵芯。,* 一般都不開氣隙，因?yàn)樾阅軙?huì)變壞，導(dǎo)致?lián)p耗增加。,四 對(duì)磁芯的基本要求,1 磁導(dǎo)率高,2 矯頑力低,3 高電阻率,* 磁感應(yīng)強(qiáng)度B= H，因此在一定的磁場(chǎng)強(qiáng)度(H)下，B 值取決于材料的值，對(duì)要求一定磁通量(BS)的磁器件，選用值高的材

17、料，就可以降低外磁場(chǎng)的勵(lì)磁電流值，從而降低磁元件的體積。,* 材料的矯頑力越小，就表示磁化和退磁容易，磁滯回線狹窄，在交變磁場(chǎng)中磁滯損耗就越小。,* 在交變磁場(chǎng)中工作的磁芯具有渦流損耗，電阻率高，渦流損耗小。,4 具有較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度,* 磁感應(yīng)強(qiáng)度高，相同的磁通需要較小磁芯截面積，磁性元件體積小。,* 在低頻時(shí)，最大工作磁通密度受飽和磁通密度限制；但在高頻時(shí)，主要是損耗限制了磁通密度的選取，飽和磁通密度大小并不重要。,3.3 功率變壓器的設(shè)計(jì),一 設(shè)計(jì)中的一般性問題,（1）雙端功率變壓器,1 功率變壓器的工作狀態(tài),* 全橋、半橋、推挽等拓?fù)渲械淖儔浩?* 變壓器原邊繞組在一個(gè)周期的正、負(fù)

18、半周加上一個(gè)幅值和脈寬均相同而方向相反的脈沖電壓（一般是矩形波）。,* 正負(fù)半周的激勵(lì)電流大小相等、方向相反，磁心中產(chǎn)生的磁通沿交流磁滯回線對(duì)稱地上下移動(dòng)，磁心工作在整個(gè)磁滯回線上。,* 在一個(gè)周期中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B從正最大值變化到負(fù)最大值，磁心中的磁化分量基本為零。,* 單管正激、單管反激、雙管正激、雙管反激等拓?fù)渲械淖儔浩鳌?（2）單端功率變壓器,* 當(dāng)施加在變壓器正、負(fù)兩個(gè)半周內(nèi)的電壓或脈寬不同時(shí)，磁通的零線會(huì)向一個(gè)方向偏移，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致開關(guān)管損壞，應(yīng)設(shè)法解決。,* 變壓器原邊繞組在一個(gè)周期內(nèi)加上一個(gè)單向脈沖電壓，磁心中的磁通單向沿交流磁滯回線的第一象限部分上下移動(dòng)。,* 在一個(gè)周期中，磁

19、感應(yīng)強(qiáng)度B在Bm到Br之間變化。,2 合理設(shè)計(jì)開關(guān)頻率,* 考慮：, 輸出功率大小, 使用的功率器件, 電力電子電路（硬開關(guān)還是軟開關(guān)）, 變壓器的可實(shí)現(xiàn)性和合理的成本,3 磁芯結(jié)構(gòu)的選擇, 漏感要小, 便于繞制、維護(hù)和生產(chǎn), 有利于散熱,4 工作磁感應(yīng)強(qiáng)度的選取,* 考慮：,可選取較小的磁感應(yīng)強(qiáng)度或設(shè)法減小合閘啟動(dòng)瞬間的磁感應(yīng)強(qiáng)度，可采取以下措施：, 要保證在規(guī)定的環(huán)境溫度、輸入電壓和輸出負(fù)載范圍內(nèi)變壓器不飽和。,* 考慮：,* 選擇不當(dāng)：容易在合閘啟動(dòng)瞬間發(fā)生飽和、損壞功率管,* 如何防止, 小型化、低損耗,當(dāng)交變電流通過導(dǎo)體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生集膚效應(yīng)，表現(xiàn)為導(dǎo)體中電流密度由導(dǎo)體表面向中心越來越小

20、，分布不均勻，愈近導(dǎo)體表面電流密度越大。這種現(xiàn)象稱為“集膚效應(yīng)”，亦稱“趨膚效應(yīng)”。,5 集膚效應(yīng),(1)什么是集膚效應(yīng)？,(2)衡量標(biāo)準(zhǔn),* 是用穿透深度來表征的，用表示。,* 定義為電流密度下降為表面電流密度的1/e處的深度。, 降壓?jiǎn)?dòng), 窄脈沖啟動(dòng), 選取工作磁感應(yīng)強(qiáng)度 ，以增加體積為代價(jià)。,式中， 穿透深度，單位為mm。 km 與溫度等有關(guān)的常數(shù)，例如銅：100時(shí)， km=75，20時(shí)， km=65.5。 f 頻率，單位Hz。 K 材料常數(shù)。,*,（3）產(chǎn)生的影響,* 使導(dǎo)線有效導(dǎo)電面積減小，電流密度有所提高，引起銅耗增加，效率下降。,* 導(dǎo)體中的交流電阻比直流電阻要大。,* 因此工

21、作于高頻的變壓器就需考慮這一影響，當(dāng)繞組中電流的頻率增高到高頻段時(shí)，由于集膚效應(yīng)的影響，繞組電阻增大，導(dǎo)致繞組損耗增加。交變頻率越高，電阻的增大也越多。,（4）減小集膚效應(yīng)影響的方法,* 在選用繞組導(dǎo)線線徑時(shí)，應(yīng)遵循小于兩倍穿透深度；,* 當(dāng)導(dǎo)線要求的截面大于由穿透深度決定的最大有效直徑時(shí)，應(yīng)采用小直徑的多股導(dǎo)線并繞；,* 副邊大電流繞組最好能采用寬而扁的銅帶，寬度和變壓器磁芯窗口的高度接近，厚度則以穿透深度的兩倍來限制。,6 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題,（1）傳輸功率要有一定裕量；,（2）當(dāng)輸入電壓和占空比最大時(shí)，磁芯應(yīng)不飽和；,（3）遵循變壓器銅損與磁芯的鐵損相等的設(shè)計(jì)原則；,（4）原邊電感量,*

22、 正激式拓?fù)渲?，原邊電感量必須盡量大；,* 反激式拓?fù)渲?，原邊電感量符合為獲得所需功率而規(guī)定的數(shù)值。,二 功率變壓器磁心尺寸計(jì)算,1 雙端工作的方波變壓器,原邊電壓有效值,副邊電壓有效值,原邊電流有效值,副邊電流有效值,N1、 N2為變壓器原副邊繞組匝數(shù)，Ae為鐵心截面積， Ke為鐵心截面積有效系數(shù)，AW為鐵心窗口面積， KW為鐵心窗口利用系數(shù)， J為導(dǎo)線電流密度 。,由以上公式可推出,K 波形系數(shù) ，方波取4。,方波有兩種，有死區(qū)和無死區(qū)。,設(shè)變壓器輸出功率為P0，輸入功率為P1，效率為,* 無死區(qū)方波有效值和幅值相等,* 有死區(qū)方波有效值和幅值不相等,2 單端正激工作的方波變壓器,* 磁芯

23、只工作在第一象限,* 單端工作時(shí)，磁芯利用率低。,3 其他表達(dá)形式,（1）如果Ae、Aw用cm2表示，電流密度用A/cm2表示，則公式右邊都要乘以104。,（2）如果把電流密度換算成電流密度比例系數(shù)KJ，則有：,其中X為常數(shù)，由磁芯給出，一般?。?這樣，可導(dǎo)出以下公式：,無死區(qū),單端正激,有死區(qū),（3）以上所有公式屬于面積乘積法，即AP法。,（4）另外，還有幾何參數(shù)法。,三 功率變壓器設(shè)計(jì)步驟,1、確定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，工作頻率,2、確定變比n,原則保證在最低輸入電壓時(shí)，能輸出所要求的最高電壓，此時(shí)變換器工作在最大占空比。,原邊最低輸入電壓決定了副邊的最低輸出電壓,式中：UF 輸出整流二極管的壓降，

24、UX 輸出繞組內(nèi)阻上的壓降。,3、確定鐵芯材料，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度,* 根據(jù)開關(guān)頻率和電源容量可決定鐵芯的材料和形狀，并可進(jìn)一步確定鐵芯截面有效系數(shù)。,4、確定導(dǎo)線電流密度J,* 最大磁感應(yīng)強(qiáng)度的確定要考慮以下因素：,A 拓?fù)湫问?B 開關(guān)頻率,C 散熱條件,D 最大允許溫升,E 功耗,* 工頻變壓器,* 高頻變壓器,自然冷卻,風(fēng)冷,5、確定窗口利用系數(shù),* 確定電流密度時(shí)要考慮以下因素：,A 開關(guān)頻率,B 集膚效應(yīng),C 散熱條件,D 最大允許溫升,* 選大了，繞組可能繞不下；,* 選小了，鐵芯利用率降低了。,* 確定窗口利用系數(shù)時(shí)要考慮鐵芯的形狀、尺寸、繞組的組成、開關(guān)頻率、繞制工藝，一般可取,

25、* 對(duì)于小功率變壓器，導(dǎo)線用漆包線。,* 對(duì)于大功率變壓器，導(dǎo)線面積大，絕緣材料多。,* 如大功率變壓器的繞組匝數(shù)很少,6、變壓器效率,* 變壓器的效率由鐵損和銅損決定；,* 根據(jù)散熱條件不同，效率在,* 在選擇最大磁感應(yīng)強(qiáng)度和電流密度時(shí)，就已分別限制了鐵損和銅損。,7、計(jì)算AP值,* 利用前面介紹的計(jì)算公式,9、繞組匝數(shù),* 雙端工作的變壓器,* 單端工作的變壓器,* 副邊繞組匝數(shù),10、導(dǎo)線截面積,8、選擇鐵心,* 鐵芯的型號(hào)和規(guī)格是標(biāo)準(zhǔn)的；,* 選取時(shí)，應(yīng)該取實(shí)際的AP值稍大于計(jì)算值。,11、核算窗口系數(shù),12、計(jì)算勵(lì)磁電感、勵(lì)磁電流,* 實(shí)際的窗口系數(shù)為,* 要求,* 勵(lì)磁電感,* 勵(lì)

26、磁電流,13、繞制，測(cè)試,3.4 電感的設(shè)計(jì),一 直流濾波電感的設(shè)計(jì),1、需要考慮的因素,* 流過的直流成分,* 峰-峰值,* 所需的電感量,* 損耗和溫升,2、確定電感量,以輸出濾波電感為例,在工作頻率、線圈激勵(lì)電壓、紋波電流給定的情況下，電感量應(yīng)在最低紋波所需要的最大值和對(duì)負(fù)載變化快速響應(yīng)需要的最小值之間折中考慮。,當(dāng)負(fù)載恒定不變時(shí)，設(shè)：,Ilmax 線圈電流最大值；,Ilmax 線圈電流最小值；,Ilmax 最大紋波。,DTtT,0tDT,當(dāng)t=T時(shí)：,電感量的下限由電流變化量決定,當(dāng)電感電流連續(xù)時(shí)：,當(dāng)負(fù)載突然變化時(shí)，占空比由D1變化到D2,一個(gè)周期結(jié)束時(shí),電流在一個(gè)周期開始和結(jié)束時(shí)的

27、最小值之差,負(fù)載變化后，電流達(dá)到新值所需要時(shí)間為,如果給定tR為tRC,占空比由Dmin變化到Dmax 時(shí)變化最大,3、設(shè)計(jì)方法,（1）計(jì)算儲(chǔ)存能量,（2）選擇磁芯材料,（決定最大磁通密度的是最大電流）,* 根據(jù)交流成分I 所占的比例、頻率確定磁芯材料。,* 材料確定后，可確定最大磁通密度、磁芯截面系數(shù)。,綜合考慮兩個(gè)方面的因素，電感量為,（3）選擇磁芯形狀，確定窗口利用系數(shù),（4）確定導(dǎo)線電流密度J。,（5）選擇磁芯型號(hào),* 注意，最大磁通密度要留有較大余量，以保證在輸出短路半個(gè)周期內(nèi)電感不飽和，以使保護(hù)電路動(dòng)作。,* 根據(jù)所確定的磁芯材料、繞制工藝、安裝結(jié)構(gòu)選擇磁芯形狀。,* 根據(jù)電流等級(jí)

28、，選擇導(dǎo)體類型，確定窗口利用系數(shù)。,* 根據(jù)散熱條件、要求的銅損、磁芯的形狀和線包的允許溫升，選擇合適的電流密度。,（8）計(jì)算氣隙,（7）計(jì)算匝數(shù),（6）計(jì)算導(dǎo)線截面積,（9）計(jì)算邊緣磁通因數(shù)F，并進(jìn)行修正,G 磁芯窗口的高度,核算出最大磁感應(yīng)強(qiáng)度要小于前面選定的值,4、設(shè)計(jì)方法（2）,（1）選擇磁芯,（10）核算最大磁感應(yīng)強(qiáng)度,（2）計(jì)算匝數(shù),（3）計(jì)算導(dǎo)線截面積,（4）計(jì)算氣隙,窗口利用系數(shù)Kw，環(huán)型可取0.4，EI、EE型可取0.8，罐型可取0.30.6。,二 交流濾波電感的設(shè)計(jì),（1）計(jì)算電感的視在功率,U、I 分別為加在電感上的電壓有效值和流過電感的電流有效值。,（2）選擇磁芯材料,

29、根據(jù)頻率確定磁芯材料。,（3）選擇磁芯形狀，確定窗口利用系數(shù),（4）選擇磁芯型號(hào),（6）計(jì)算匝數(shù),（5）計(jì)算導(dǎo)線截面積,（7）其他同直流,3.5 電流互感器的設(shè)計(jì),一 基本原理,由變壓器的工作原理,可得到,同時(shí),r2副邊繞組的內(nèi)阻,二 基本設(shè)計(jì)方法,已知原邊電流,（1）計(jì)算副邊電流,（2）計(jì)算副邊匝數(shù),（3）計(jì)算磁芯截面積,（4）計(jì)算磁芯窗口面積,* 根據(jù)（3）中計(jì)算選定型號(hào)后，可查得AP值。,* 根據(jù)AP值，計(jì)算磁芯窗口面積。,* 計(jì)算磁芯有效窗口面積,（5）計(jì)算副繞組導(dǎo)線截面積,（6）注意,* 副邊不能開路；,* 副邊電壓輸出不夠大時(shí)，可加一級(jí)放大器；,* 該部分內(nèi)容可參考張占松的開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì),* 計(jì)算副邊繞組占磁芯窗口面積,