开关电源中的磁性元件

第二部分 开关电源中磁元件第五章 变换器中磁芯的工作要求在功率变换中，应用了多种磁性元件：如脉冲、功率变压器，交、直流滤波电感，交、直流互感器，EMC 滤波电感以及谐振和缓冲吸收电感等。

但就磁芯工作状态主要分为四种，其代表性功率电路—Buck 变换器滤波电感、正激、推挽变压器和磁放大器中磁元件磁芯就属于这四种工作状态.5.1 Ⅰ类工作状态－Buck 变换器滤波电感磁芯图5.1(a)所示为输出与输入共地的Buck 变换器的基本电路。

输出由R 1和R 2取样，与基准U r 比较、误差放大，然后与三角波比较，输出PWM 信号，去控制功率开关S 的导通时间。

假设电路进入稳态，U o 为常数，L 为线性电感。

开关S 闭合时，输入电压U i 与输出电压U o 之差加到电感L 上(图5.1(b))，续流二极管D 截止，电感中电流线性增长(图(d))，直至开关打开前，电感存储能量。

当开关打开时，电感中电流趋向减少，电感产生一个反向感应电势，试图维持原电流流通方向，迫使二极管D 导通，将电感中的能量传输到输出电容和负载，电感放出能量，电感电流线性下降。

电感电流增加量（ΔI =(U i - U o )T on /L ）应当等于减少量（U o T of /L ）,由此得到U o ＝T on U i /T =DU i 。

通过改变功率开关的占空度D ，就可以控制每个周期导通期间存储在电感中的能量，从而控制了变换器的输出电压。

图 5.1(d)中，电感电流在整个周期内流通（可以过零或反向），电感这种状态称为电流连续状态。

电感电流的平均值，即纹波的中心值等于输出电流I o 。

当输出电流下降时，电感电流的变化率没有改变，斜坡的中心值在下降。

当输出电流达到变化量的一半时，斜坡的起始端达到零(图5.1(d)中虚线三角波)。

这种工作状态称为电感电流临界连续。

如果再继续减少负载电流，即增大负载电阻，输出电压将要增加。

负反馈电路使得功率开关导通时间减少，以保持输出电压稳定。

第5章开关电源磁芯主要参数5.1 概述5.1.1 在开关电源中磁性元件的作用这里讨论的磁性元件是指绕组和磁心。

绕组可以是一个绕组，也可以是两个或多个绕组。

它是储能、转换和/或隔离所必备的元件，常把它作为变压器或电感器使用。

作为变压器用，其作用是：电气隔离；变比不同，达到电压升、降；大功率整流副边相移不同，有利于纹波系数减小；磁耦合传送能量；测量电压、电流。

作为电感器用，其作用是：储能、平波、滤波；抑制尖峰电压或电流，保护易受电压、电流损坏的电子元件；与电容器构成谐振，产生方向交变的电压或电流。

5.1.2 掌握磁性元件对设计的重要意义磁性元件是开关变换器中必备的元件，但又不易透彻掌握其工作情况（包括磁材料特性的非线性，特性与温度、频率、气隙的依赖性和不易测量性）。

在选用磁性元件时，不像电子元件可以有现成品选择。

为何磁性元件绝大多数都要自行设计呢？主要是变压器和电感器涉及的参数太多，例如：电压、电流、频率、温度、能量、电感量、变比、漏电感、磁材料参数、铜损耗、铁损耗等等。

磁材料参数测量困难，也增加了人们的困惑感。

就以Magnetics公司生产的其中一种MPP铁心材料来说，它有10种μ值，26种尺寸，能在5种温升限额下稳定工作。

这样，便有10×26×5= 1300种组合，再加上前述电压、电流等电参数不同额定值的组合，将有不计其数的规格，厂家为用户备好现货是不可能的。

果真有现货供应，介绍磁元件的特性、参数、使用条件的数据会非常繁琐，也将使挑选者无从下手。

因此，绝大多数磁元件要自行设计或提供参数委托设计、加工。

本章将介绍磁元件的一般特性，针对使用介绍设计方法。

结合线性的具体形式的设计方法，以后还将进一步的介绍。

5.1.3 磁性材料基本特性的描述磁性材料的特性首先用B-H平面上的一条磁化曲线来描述。

以μ表示B/H，数学上称为斜率，表示为tanθ=B/h；电工上称为磁导率，如图5.1所示。

开关电源中磁性元器件几乎所有电源电路中，都离不开磁性元器件　电感器或变压器。

例如在输入和输出端采用电感滤除开关波形的谐波；在谐振变换器中用电感与电容产生谐振以获得正弦波电压和电流；在缓冲电路中，用电感限制功率器件电流变化率；在升压式变换器中，储能和传输能量；有时还用电感限制电路的瞬态电流等。

而变压器用来将两个系统之间电气隔离，电压或阻抗变换，或产生相位移(3 相 Δ—Y 变换)，存储和传输能量(反激变压器)，以及电压和电流检测(电压和电流互感器)。

可以说磁性元件是电力电子技术最重要的组成部分之一。

磁性元器件—电感器和变压器与其他电气元件不同，使用者很难采购到符合自己要求的电感和变压器。

对于工业产品，应当有一个在规定范围内通用的规范化的参数，这对磁性元件来说是非常困难的。

而表征磁性元件的大多数参数(电感量，电压，电流，处理能量，频率，匝比，漏感，损耗)对制造商是无所适从的。

相反，具体设计一个磁性元件在满足电气性能条件下，可综合考虑成本，体积，重量和制造的困难程度，在一定的条件下可获得较满意的结果。

由于很难从市场上购得标准的磁性元器件，开关电源设计工作的大部分就是磁性元件的设计。

有经验的开关电源设计者深知，开关电源设计的成败在很大程度上取决于磁性元件的正确设计和制作。

高频变压器和电感固有的寄生参数，引起电路中各色各样的问题，例如高损耗、必须用缓冲或箝位电路处理的高电压尖峰、多路输出之间交叉调节性能差、输出或输入噪声耦合和占空度范围限制等等，对初步进入开关电源领域的工程师往往感到手足无措。

磁性元件的分析和设计比电路设计复杂得多，要直接得到唯一的答案是困难的。

因为要涉及到许多因素，因此设计结果绝不是唯一合理的。

例如，不允许超过某一定体积，有几个用不同材料的设计可以满足要求，但如果进一步要求成本最低，则限制了设计的选择范围。

因此最优问题是多目标的，相对的。

或许是最小的体积，最低成本，或是最高效率等等。

最终的解决方案与主观因素、设计者经验和市场供应情况有关。

开关电源使用的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，其中常用的软磁器件有：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。

不同的器件对材料的性能要求各不相同。

 (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着减小。

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，或称储能变压器，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。

《开关电源中的磁元件和功率开关概论》磁元件和功率开关器件是开关电源中最主要的两种功率部件，它们会直接影响开关电源的稳态指标。

磁元件是由磁芯和绕组所组成的，它需要电源开发人员自行设计和制作，通常可根据一定的设计规范，按所选的电路结构、技术指标及工作频率设计出相关的参数，并制作出所要求的磁元件；功率开关则由专门的器件公司研制，电源开发人员可根据设计要求和所选的电路拓扑，对其进行正确选择和使用即可。

1：磁元件和功率开关的重要性图1是双输出AC/DC开关电源的电路原理图。

它有输入EMI滤波，Boost PFC，双正激DC-DC，辅助电源和相应的控制电路组成。

在这个原理图上，共有十个磁元件（红色标注），由于辅助电源中还有一个功率变压器、隔离驱动中还有一个驱动变压器，所以图1这种双输出AC/DC开关电源中的磁元件一共有十二个；图中蓝色标注的是功率器件，也有十二个，再加上辅助电源中（反激变换器）的两个，一共有十四个。

不同的开关电源，其组成会有所不同，一个大功率AC/DC单输出开关电源的典型结构框图可用图2表示。

它有绿色的功率部分、蓝色的主控部分和红色的保护部分组成。

当功率变小时，为了节省成本，通常不用独立的辅助电源、部分保护功能也会被省掉。

但主功率部分的结构基本上不会发生太大的变化，所以在一个开关电源产品中，最为关键的功率部件就是磁元件和功率器件。

其中磁元件，因为涉及的面很广，如EMI电感、PFC电感、直流滤波电感、谐振电感、功率变压器、电流互感器、驱动变压器、磁放大器等，所以了解它们的原理、掌握它们的设计和制作方法，对于开关电源的性能而言是非常重要的。

图3是一个开关电源样品的照片，从该照片可以看出，磁元件、电容元件和带散热器的功率器件在开关电源产品中各占有1/3左右的空间，所以开关电源的体积大小，也主要取决于这三个部分，一般情况下通过选择速度快、通态电阻小的MOSFET和选择正向压降小、反向恢复时间短的二极管，可使开关电源在效率不变，甚至提高的情况下，其开关频率做得更高，从而使磁元件和电容元件的体积减小，结果可使开关电源做得更小。

磁性元件在开关电源中作用
磁性元件在开关电源变化中是必需的器件，广泛用于高频振荡变压器、低通滤波电感、电源输出平波电抗器，还有有源功率因数校正升压电感，所有这些作用功能，对变换器的性能质量起着至关重要的作用。

当磁心用于变压器时，它起的的作用如下：
1. 电磁耦合。

传递电能，有了磁心，电能传输畅通。

2. 实施电气隔离。

变压器的一次电压和二次电压是不同电位的电压，有了它，保证变压器在变换电路中的安全，起着高低电压隔离的目的。

3. 按使用需要，改变变压器电压比，达到电压升降。

4. 由于磁性元件作用，变压器二次大电流整流经过移相，使二次电流输出纹波电压减小。

抑制尖峰电压，保护开关管免受冲击电流而损坏。

所以常说，磁性变压器有限流作用。

5. 开关电源的电子开关，通过充电放电向变压器二次侧不停地传输电能，在这过程中时由于它具有储能，才能释能，储能的大小与磁性元件的饱和磁感应强度以及初始磁导率成正比。

另外，由于变压器的一次和二次侧存在电感，很方便地与电路电容构成谐振，谐振波一方面传递电能，改变电流或电压的方向。

但是磁性元件的工况性能是不易完全掌握的，它不像其他电子元器件那样容易测量选择，繁琐的技术数据，分散性、易变性很大的参数，将使开关电源制造商挑选者无从下手。

因此，只能通过生产实验、科学设计，才能发挥磁性元件最大作用功能。

开关电源各磁性元器件的分布参数开关电源是一种将输入电压转换为所需要的输出电压和电流的电源电路，其核心是磁性元器件。

磁性元器件主要包括变压器、电感和电感转变器等。

这些磁性元器件的分布参数对开关电源的性能起着重要的影响。

本文将详细介绍开关电源各磁性元器件的分布参数。

一、变压器的分布参数：1. 漏感Llk：变压器的漏感是指在变压器的两个绕组间存在一定的自感现象，即绕组之间产生的磁通量不能完全经过另一个绕组。

漏感的大小与绕组的结构和绕组之间的磁场环境有关。

漏感的存在使得变压器的输出电压受到负载电流的影响。

2. 漏感阻抗Zlk：漏感阻抗是指变压器的漏感对交流电的阻抗性质。

漏感阻抗的大小与漏感Llk和频率有关。

漏感阻抗越大，对电流的阻抗性能越好，输出电压的稳定性越高。

3.互感Lm：互感是指变压器的两个绕组之间通过磁场而相互感应的现象。

互感的存在使得变压器实现电压转换，并将输入电压与输出电压隔离。

4.耦合系数k：耦合系数是指变压器的两个绕组之间的磁耦合程度。

耦合系数越大，两个绕组之间的互感越强，输出电压的稳定性越好。

二、电感的分布参数：1. 漏感Llk：电感的漏感是指在电感线圈中存在一定的自感现象。

漏感的大小与线圈的结构和线圈之间的磁场环境有关。

漏感的存在使得电感对交流电的阻抗性能增加。

2. 漏感阻抗Zlk：漏感阻抗是指电感的漏感对交流电的阻抗性质。

漏感阻抗的大小与漏感Llk和频率有关。

漏感阻抗越大，对电流的阻抗性能越好。

3.互感Lm：互感是指两个电感线圈之间通过磁场而相互感应的现象。

互感的存在使得电感实现电压转换，并将输入电压与输出电压隔离。

4.耦合系数k：耦合系数是指电感的两个线圈之间的磁耦合程度。

耦合系数越大，两个线圈之间的互感越强，输出电压的稳定性越好。

三、电感转变器的分布参数：1. 输入电感Lint：输入电感是指电感转变器的输入端的电感。

输入电感的大小与电感转变器的结构和输入端的磁场环境有关。

2. 输出电感Lout：输出电感是指电感转变器的输出端的电感。

开关电源中的高频磁元件设计高频磁元件是开关电源中的重要组成部分，能够将输入的电能转化为高频电能，并进行功率变换。

它们在保证开关电源正常工作、提高效率和减小尺寸方面起到关键作用。

因此，在设计高频磁元件时，需要考虑多种因素，包括输入输出电压、频率、功率、效率等。

下面，将详细介绍高频磁元件的设计。

1.开关频率和功率密度：在设计高频磁元件时，首先需要考虑开关频率和功率密度。

开关频率越高，磁元件所承受的磁通变化速度越快，对磁性材料的要求也越高。

此外，功率密度的大小也会影响磁元件的尺寸和重量。

2.磁芯材料选择：选择合适的磁芯材料对于高频磁元件的设计至关重要。

常用的磁芯材料包括铁氧体、磁性粉末材料和软磁材料等。

铁氧体具有较高的磁导率和饱和磁感应强度，并且价格相对较低，适用于大功率开关电源。

磁性粉末材料具有优良的高频特性，适用于高频开关电源。

软磁材料具有低矫顽力和低剩磁，适用于高频大电流的开关电源。

3.磁芯形状设计：磁芯的形状对于高频磁元件的性能也有很大的影响。

通常，矩形和环形磁芯是常见的设计形式。

矩形磁芯适用于大功率开关电源，而环形磁芯适用于高频开关电源。

此外，还可以采用线圈分层和空气隙设计来减小电流的涡流损耗和铜损耗。

4.初级和次级绕组设计：绕组是高频磁元件中的重要组成部分，它将输入的电流变压为合适的电压，并传递给次级侧。

在设计绕组时，需要考虑绕组的匝数、尺寸、电阻和电感等参数，以及绕组之间的绝缘和屏蔽。

5.整体设计和电磁兼容性：在设计高频磁元件时，还需要考虑整体的设计和电磁兼容性。

合理的布局和隔离可以减小互感和干扰，提高系统的性能稳定性和抗干扰能力。

此外，还需要进行电磁兼容性测试，以确保高频磁元件符合相关标准和规范。

综上所述，高频磁元件的设计是开关电源设计中的重要环节。

在设计过程中，需要考虑开关频率、功率密度、磁芯材料选择、磁芯形状设计、绕组设计以及整体设计和电磁兼容性等因素，以确保高频磁元件的性能稳定和高效工作。

“时钟频率”是控制IC芯片产生的时钟脉冲频率。

通常，开关频率与时钟频率相同，但不总是这样。

偶尔，控制IC芯片经分频获得低的开关频率。

特别将推挽IC控制芯片用于单端正激变换器，仅用两个开关驱动中的一个，保证最大占空度不超过50％。

在这种情况下，开关频率是时钟频率的一半通常发生混淆是推挽类拓扑。

推挽类（推挽，半桥和全桥）功率电路每个功率开关以1/2时钟频率驱动，电路的开关频率就是时钟频率。

变压器和单个功率开关和单个整流器都以“变压器频率f T”工作,它是开关频率的一半。

电路输出滤波工作在开关频率。

7.1.7 占空度占空度D定义为功率开关导通时间T on与开关周期T的比：D=T on/T。

在单端正激变换器中，这很容易明白。

但在双端双路交错正激和推挽类变换器中，时常发生混乱。

例如，双端双路交错正激变换器中，对于每一路，在输入电压最低U i min时最大占空度约为0.45，每路变压器在45％时间内传输功率，传输总功率的一半。

而对输出滤波电感占空度则为0.9。

在半桥电路工作于最低电压时，占空度接近90％（D=0.9）。

变压器在90％的时间传输功率，90％时间电压脉冲加在输入滤波器上等等。

但对于单个功率开关和单个整流器，总是交替导通，占空度仅45％。

输出滤波器可以看成D=0.5T on/0.5T=T on/T。

在整个电源设计中，应保持D的定义一致。

正激或推挽类变换器稳态时，当输入电压变化时，反馈控制电路根据输入电压的变化反比改变占空度D，以维持输出电压的稳定U o=U2’D。

U2’≈U i/n－滤波器输入电压，等于变压器次级电压减去整流二极管压降。

因此U T U DfnUfi oniso s==（7-1）式中f S=1/T－开关频率。

当输出电压恒定时，稳态情况下变压器线圈上的伏秒为常数，与电网电压和负载电流无关。

当输入电压最低（U i min）时，占空度最大，还要考虑到以下对最大占空度的限制：①根据输出电压调节范围，在输入电压最低时应保证输出最高电压。

这22个磁性元器件图，开关电源工程师一定用得上！
请跟随我一起看下面这22张图，然后你就会了解开关电源等磁性元器件的分布参数了~
功率变换器中的功率磁性元件
作用：起磁能的传递和储能作用，必不可少的元件
特点：体积大，重量大，损耗大，对电路性能影响大
挑战：对变换器功率密度影响很大，成为发展瓶颈
功率变换器技术与磁性元件
拓扑：正激，反激，推挽，全桥移相，LLC，等，磁集成，磁耦合；
控制：控制芯片+控制电路，变压器环节+滤波器环节；
封装：PCB绕组，绕组+同步MOS, 超薄磁元件；
元件：有源器件，电容，磁性元件(设计+定制)；
仿真：电路模型，器件模型(IC, MOS, Diode, Cap, 磁性元件)；
电磁兼容：布板，EMI滤波器, 分布参数, 近场耦合；
制造：自动化, 磁性元件(人工制作)
品质：磁性元件测试，失效分析。

磁性元件的模型
变压器模型
电感器模型
反激变换器实际工作波形
DCM下波形与变压器参数
CCM下波形与变压器参数
电感分布电容EPC对损耗的影响
变压器中的磁场/涡流场分布特性
铜箔导体的涡流损耗特性
降低变压器的绕组损耗--基本结构考虑
不同绕组结构的磁场和电流密度分布
绕组的分布电容EPC
电感绕组不同绕法对分布电容的影响
分布电容计算的基本方法
线圈分布电容的近似理论计算
多层线圈的分布电容
带屏蔽层的绕组分布电容
分段绕组的分布电容特性
变压器内部的电荷分布情况与分布电容有屏蔽层变压器内部的电荷分布情况变压器副边电荷的抵消设计。

开关电源中的高频磁元件的设计开关电源是一种常见的电力转换装置，其中高频磁元件起到了至关重要的作用。

高频磁元件设计的目标是实现高效的电力转换和最小的能量损耗。

下面将详细介绍高频磁元件的设计过程。

首先，高频磁元件的设计需要确定电源的输入和输出参数。

输入参数包括输入电压和输入电流的范围，输出参数包括输出电压和输出电流的需求。

此外，还需要考虑开关频率、转换效率和工作温度等因素。

接下来，根据输入和输出参数确定高频磁元件的类型。

常见的高频磁元件包括变压器、电感器和变压电感器等。

不同的应用场景需要选择适合的磁元件类型。

然后，根据设计需求计算磁元件的参数。

首先，选择合适的磁芯材料和磁芯形状。

磁芯材料的选择应考虑磁导率、饱和磁通密度和磁损耗等特性。

磁芯形状的选择应根据电磁场分布和损耗的要求。

其次，计算磁元件的线圈参数。

线圈参数包括匝数、导线直径、线圈材料和线圈形状等。

匝数的选择要实现所需的电压变换比和电流承载能力。

导线直径的选择要考虑电流承载能力和电阻损耗。

线圈材料的选择要考虑导电性能和热稳定性。

接下来，通过磁路分析计算磁元件的磁路参数。

磁路参数包括磁感应强度、磁路长度和磁场强度等。

通过磁路参数的计算可以确定磁芯的尺寸和磁场的分布。

然后，进行磁元件的电磁场分析。

电磁场分析是计算磁元件中电磁场分布和损耗的过程。

通过电磁场分析可以确定磁元件的损耗和电磁兼容性。

最后，根据设计结果选择合适的高频磁元件。

选择合适的高频磁元件需要综合考虑电路参数、成本和制造工艺等因素。

总结来说，高频磁元件的设计涉及电路参数的确定、磁芯材料和形状的选择、线圈参数的计算、磁路参数的计算和磁场分析等步骤。

通过科学的设计方法和精确的计算可以实现高效的电力转换和最小的能量损耗。

同时，还需要考虑制造工艺和成本等因素，选择合适的高频磁元件。

开关电源各磁性元器件的分布参数开关电源是一种能够将电源输入的直流电转换为经过开关管开关调制后的高频方波电流输出的电源。

开关电源中常使用到的磁性元器件包括变压器、电感器、磁环和补偿电感等。

本文将分别介绍这些磁性元器件的分布参数，包括互感系数、漏感系数、品质因数和饱和电感等。

1.变压器：变压器是开关电源中最常见的磁性元器件之一，其主要用于实现电压变换、隔离和电流控制等功能。

变压器的互感系数（k）是衡量一组线圈中能够转移能量的比例，k的范围通常在0.8到1之间。

当变压器的一端开路时，另一端的电流不能完全传导到另一线圈，形成了漏感。

漏感系数（k_m）是分析变压器性能的重要参数，其数值范围一般在0.03到0.3之间。

同时，变压器的品质因数（Q）是描述其在工作频率下的能量传输效率的指标，其数值越大，表示能量传输越高效。

2.电感器：电感器是通过感应磁场来储存和释放电能的元件。

开关电源中使用到的电感器主要包括电感线圈、磁环和电感峰值等。

电感线圈的主要参数是饱和电感（L_s）和功率损耗（R_s）。

饱和电感是在给定电流下，电感线圈中储存的能量的最大值。

功率损耗是电感器在工作时由于电阻而产生的能量损耗。

磁环是一种通过改变线圈的电流来调整电感器参数的设备。

3.磁环：磁环是用于储存和调整磁场能量的一种磁性材料。

在开关电源中，磁环主要用于调整电感器的感应能量。

磁环的厚度、面积和抗磁饱和能力等是影响其性能的重要参数。

4.补偿电感：开关电源中的补偿电感用于实现对电源端电感的变化进行补偿，从而提高系统的稳定性和效率。

补偿电感的主要参数是补偿比（R_c），它是补偿电感的导磁性能与电源端电感的比值。

当补偿比为1时，表示补偿电感和电源端电感的导磁性能相等。

综上所述，开关电源中的磁性元器件包括变压器、电感器、磁环和补偿电感等，它们都具有不同的分布参数。

了解和掌握这些分布参数有助于正确选择磁性元器件，优化开关电源的性能和效率。