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电力直流系统中高频开关电源磁性元件的优化设计.doc


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电力直流系统中高频开关电源磁性元件的优化设计..doc电力直流系统中高频开关电源磁性元件的优化设计
引言在电力直流系统中,由于普遍采用高频模块,对于高频模块的设计是功率越来越大,而体积却是越来越小,这就对其设计提出了一个关键的问题,那就是如何解决磁性元件的损耗及发热问题。高频开关电源中大量使用各种各样的磁性元件,如输入 / 输出共模电感,功率变压器,饱和电感以及各种差模电感。
各种磁性元器件对磁性材料的要求各不相同,如差模电感希望 μ 值适中,但线性度好,不易饱和 ; 共模电感则希望 μ 值要高,频带宽 ; 功率变压器
引言
在电力直流系统中,由于普遍采用高频 模块,对于高频模块的设计是 功率越来越大,而体积却是越来越小,这就对其设计提出了一个关键的问题,那就是如何解决磁性元件的损耗及发热问题。
高频开关电源 中大量使用各种各样的磁性元件,如输入 / 输出共模 电感,功率变压器,饱和电感以及各种差模电感。各种磁性元器件对 磁性材料 的要求各不相同,如差模电感希望 μ 值适中,但线性度好,不易饱和 ; 共模电感则希望 μ 值
要高,频带宽 ; 功率变压器则希望 μ 值要适中,温度稳定好,剩磁小,损耗低等。在非晶材料出现以前,共模电感主要采用高 μ 值(6K~10K)Mn-Zn 合金,差模电感多采用铁粉芯或开气隙铁氧体材料,变压器则采用铁氧体材料等。这些材料应用技术成熟,种类也很丰富,并有各种各样的产品形状供选择。随着
非晶材料的出现和技术不断成熟,在 开关电源 设计中,非晶材料表现出许多 其
它材料无法比拟的优点。几种常用磁性材料基本性能比较如表 1。
主变压器的设计
对于高频开关电源的主要发热元件,主变压器的设计尤其重要,其尺寸的大小和材料的选择更是重要。
主变压器的磁芯必须具备以下几个特点
低损耗 ;
高的饱和磁感应强度且温度系数小 ;
宽工作温度范围 ;
μ 值随 B 值变化小 ;
与所选用功率器件开关速度相应的频响。
早前高频变压器 一般选用铁氧体磁芯,下面对 VITROPERM500F铁基超微晶磁芯与德国西门子公司生产的 N67系列铁氧体磁芯的性能进行较,见图 1。
从以上图表可以看出两者有以下区别:
相同工作频率 (200kHz 以下 ) ,非晶材料损耗明显低于铁氧体,工作频率越
低,工作 B 值越高,非晶材料优势越明显。但在 250kHz 以上频段,铁氧体损耗要明显低于非晶材料。
非晶材料损耗随温度变化量大大低于铁氧体,降低了变压器热设计的难度。
非晶材料导磁率随温度变化量大大低于铁氧体,降低了变压器设计的难度,提高了电源运行的稳定性和可靠性。
非晶材料 Bs·μ 值是铁氧体的 10~15 倍,意味着变压器体积重量可以大幅减小。
变压器设计过程中,最困难的是热设计,变压器的产热与多方面的因素有关,如磁芯损耗,铜损等。开关频率增加,变压器的发热呈指数增加。若采用铁氧体磁芯,由于铁氧体的居里点较低,需对变压器磁芯作散热处理,工艺制作比较复杂。若散热处理不当,铁氧体磁材高温下易失磁,导致电路工作异常。若

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