第四讲：磁性元件的设计

第五章 磁元件设计一般电源工程师宁愿花很多时间进行电路设计，而不愿意设计一个磁元件。

设计磁元件要决定许多事情：磁芯材料，磁芯形状，导线类型等等。

而设计好的磁元件的参数对电路性能有怎样的影响，总不像电路设计那样心里有数。

当设计完成以后，还要在实验室检测性能。

即使性能获得通过，然后你还得确定设计的产品成本是否合理。

一般工程师对磁的有关问题感到困惑，为此，这一章将介绍磁的基础知识，并给你很多的磁元件设计的实际信息。

在磁元件设计和电路试验时，具有很强的物理概念是十分重要的。

本章在介绍材料之后，其余部分逐步介绍做好磁的设计，包括你的设计如何制造出来。

在文献中已详细介绍了磁元件设计。

这里只说明如何做好、怎么做、和具体磁设计的关键工程问题。

5.1 两个基本定律让我们从两个基本定律开始，所有的磁问题都服从这两个个基本定律：安培定律和电磁感应定律。

1．安培定律I 图5-1 安培定律 安培定律也称为安培环路定律或全电流定律。

参考图5-1,一个磁性均匀的环，在环的圆周上均匀绕N 匝线圈，平均圆周长为l ,线圈通过电流为I ，根据全电流定律，其磁场和电流关系为 （5-1） Hl IN =则在国际单位制（MKS ）中磁场强度 lIN H =r （A/m ） （5-2a ） 在实用单位制（CGS ）中磁场强度lIN H π4.0=r (Oe) （5-2b ） 在使用单位制(CGS )时，磁场强度为奥斯特（Oe ）,它与MKS 制关系为1(Oe)=π4.0102（A/m ） 从式（5-1）可见，电流增加磁场增加。

2. 电磁感应定律第二个定律是电磁感应定律。

它实际上包含两个定律：法拉第定律和楞次定律。

U A －面积 B －磁感应强度图5-2 变化的磁场产生感应电势 图5-2中一个N 匝线圈，包围面积A 。

如果包围的面积A 中的磁通（不管是自身线圈电流磁场，还是外加磁场）发生变化，那么在线圈的两端将产生一个电势，这个电势大小与线圈包围磁通链变化率的关系为 e dtBAN d dt d −==)(ψ 或dtdB NA U = (5-3) U －线圈端电压，dt d /ψ表示磁链的变化率。

电力电子电路常用磁芯元件的设计一、常用磁性材料的基本知识磁性元件可以说是电力电子电路中关键的元件之一，它对电力电子装置的体积、效率等有重要影响，因此，磁性元件的设计也是电力电子电路系统设计的重要环节。

磁性材料有很多种类，特性各异，不同的应用场合有不同的选择，以下是几种常用的磁性材料。

1．低碳钢低碳钢是一种最常见的磁性材料，这种材料电阻率很低，因此涡流损耗较大，实际应用时常制成硅钢片。

硅钢片是一种合金材料（通常由97%的铁和3%的硅组成），它具有很高的磁导率，并且每一薄片之间相互绝缘，使得材料的涡流损耗显著减小。

磁芯损耗取决于材料的厚度与硅含量，硅含量越高、电阻率越大。

这种材料大多应用于低频场合，工频磁性元件常用这种材料。

2．铁氧体随着工作频率的提高，对磁芯损耗的要求更高，硅钢片由于制造工艺的限制，已经很难满足这种要求，铁氧体就是在这种形势下出现的。

铁氧体是一种暗灰色或者黑色的陶瓷材料。

铁氧体的化合物是MeFe2O4，这里Me代表一种或几种二价的金属元素，例如，锰、锌、镍、钴、铜、铁或镁。

这些化合物在特定的温度范围内表现出良好的磁性能，但是如果超出某个温度值，磁性将失去，这个温度称为居里温度（T c）。

铁氧体材料非常容易磁化，并且具有相当高的电阻率。

这些材料不需要像硅钢片那样分层隔离就能用在高频的应用场合。

高频铁氧体磁性材料主要可分为两大类：锰锌（MnZn）铁氧体材料和镍锌（NiZn）铁氧体材料。

比较而言，NiZn材料的电阻率较高，一般认为在高频应用场合下具有较低的涡流损耗。

但是最近的研究表明，如果颗粒的尺寸足够小而且均匀，在几兆赫兹范围内MnZn材料显示出较NiZn材料更为优越的特性，例如，TDK公司的H7F材料以及MAGNETICS公司的K材料就是采用这种技术，适用于兆赫兹工作频率下工作的新型铁氧体材料。

3．粉芯材料粉芯材料是将一些合金原料研磨成精细的粉末状颗粒，然后在这些颗粒的表面覆盖上一层绝缘物质（它用来控制气隙的尺寸，并且降低涡流损耗），最后这些粉末在高压下形成各种磁芯形状。

磁性元件及高频变压器设计成继勋 2009.12.31（2011.3.22修改）1 磁性材料的磁化1.1 磁化曲线在外磁场（或电流）的作用下，磁性材料被磁化，磁化曲线如图图1.1 图1.2 在交变磁场的作用下，形成磁滞回线。

H H B r 0μμμ== （1.1）H -磁场强度，SI 单位制A/m ；CGS 制：Oe （奥斯特），1A/m=4π×10-3OeB -磁通密度（磁感应强度，磁化强度）SI 单位制：T （Tesla 特斯拉）；CGS 制：Gs （高斯），1T=104Gs μ-磁导率，H/m （亨利/米）；μ0-真空磁导率，SI 单位制中μ0= 4π×10-7H/m ，CGS 制中μ0=1。

μr -相对磁导率，无量纲在均匀磁场中SB ϕ=（1.2）φ-磁通量，SI 单位制：Wb （韦，韦伯）；CGS 制：Mx （麦，麦克斯韦）1Wb=10-8Mx S -面积，SI 单位制：m 2; CGS 制：cm 2Hs 称饱和磁场强度，Hc 称矫顽力 Bs 饱和磁通密度，Br 剩余磁通密度（剩磁）1.2 几个磁导率的概念（1）初始磁导率 )0(0→∆∆=H HBi μμ（2）最大磁导率μm ：磁化曲线上μm 的最大值max0HB m μμ=（3）增量磁导率(脉冲磁导率) μΔDCH H HB =∆∆∆=0μμ图1.3即在具有直流偏置磁场时，再加上一个交流磁场，这时测得的磁导率。

（4）幅值磁导率 μa没有直流偏置时，交变磁场强度的幅值与磁通密度幅值的关系称为幅值磁导率μa（5）有效磁导率μe在磁路中存在气隙，即非闭合磁路条件下，测得的磁导率为有效磁导率1.3 安培环路定律图1.4 图1.5∑⎰⎰==I dl H l d H lαcos （1.3） 对绕N 匝线，电流为I 的磁环NI Hl l d Hl==⎰ （1.4）式中，l=2πr 为磁路长度，H 为磁芯中的磁场强度为lNIH =（1.5） NI F = （1.6）称为磁（动）势，单位A ，常称为安匝。

目录摘要 (1)ABSTRACT (1)1 绪纶 (1)1.1变压器设计概述 (1)1.2电感设计概述 (3)1.3磁集成技术简介 (4)1.4本文选题意义和研究的内容 (4)2 DC/DC变换器磁性元件设计理论及其设计方法 (5)2.1磁性元件损耗、漏磁、散磁分析及其设计原理 (5)2.2DC/DC变换器磁芯工作状态 (7)2.3各类DC/DC变换器中磁性元件设计方法 (8)2.4磁性元件结构和工艺设计 (12)3磁集成技术 (13)3.1集成磁件的分析方法 (13)3.2集成磁件具体应用——磁件的集成 (15)3.3磁集成方式 (16)4 ZVS-ZCS三电平DC/DC变换器中磁性元件设计 (17)4.1ZVS-ZCS TL工作原理和磁件参数计算 (18)4.2磁性元件设计 (19)4.3实验验证 (23)5 结语 (24)致谢...................................................... 错误!未定义书签。

参考文献 (25)DC/DC变换器中磁性元件的设计摘要：磁性元件是DC/DC变换器中的关键部分，它决定了变换器体积效率等多方面性能。

本文结合几种典型的DC/DC变换器归纳了磁性元件分析与设计的方法，得出了磁性元件设计原理；对DC/DC变换器（正激式、反激式、半桥全桥以及推换式）按磁芯工作状态分类，分别介绍了各类磁性性元件设计过程；并对磁件结构和工艺进行了研究;而后分析了集成磁件分析与建模方法，以及磁件集成的推导过程。

最后结合ZVS-ZCS三电平DC/DC变换器对磁性元件进行了设计，介绍了具体设计过程以及三电平变换器。

关键词：磁性元件、DC/DC变换器、磁集成技术、三电平、倍流整流。

Abstract: Magnetic element is one of main parts in DC/DC converter, which determines several kinds of performance of converters such as volume and efficiency. This paper summarizes the means ofdesigning and analyzing magnetic components and obtains the designing principle .According todifferent functional modes of magnetic core of DC/DC converters (Forword, Flyback,Halfbridge,Full-bridge and Push-pull converter ) ,various designing process are presented respectively .Then it analyzes the structure of magnetic components and crafts. The methods of modeling anddeducing of integrated magnetic elements are also presented. In addition, it designs the magneticcomponents and introduces TL converter combining ZVS-ZCS TL DC/DC.Keywords: Magnetic, DC-to-DC converter ,Magnetic integration, Three level converter ,Current double rectify1 绪纶磁性元件是开关电源中重要的组成部分，它是能量储存与转换、电气隔离与滤波的主要器件。

电力电子电路常用磁芯元件的设计一、常用磁性材料的基本知识磁性元件可以说是电力电子电路中关键的元件之一，它对电力电子装置的体积、效率等有重要影响，因此，磁性元件的设计也是电力电子电路系统设计的重要环节。

磁性材料有很多种类，特性各异，不同的应用场合有不同的选择，以下是几种常用的磁性材料。

1．低碳钢低碳钢是一种最常见的磁性材料，这种材料电阻率很低，因此涡流损耗较大，实际应用时常制成硅钢片。

硅钢片是一种合金材料（通常由97%的铁和3%的硅组成），它具有很高的磁导率，并且每一薄片之间相互绝缘，使得材料的涡流损耗显著减小。

磁芯损耗取决于材料的厚度与硅含量，硅含量越高、电阻率越大。

这种材料大多应用于低频场合，工频磁性元件常用这种材料。

2．铁氧体随着工作频率的提高，对磁芯损耗的要求更高，硅钢片由于制造工艺的限制，已经很难满足这种要求，铁氧体就是在这种形势下出现的。

铁氧体是一种暗灰色或者黑色的陶瓷材料。

铁氧体的化合物是MeFe2O4，这里Me代表一种或几种二价的金属元素，例如，锰、锌、镍、钴、铜、铁或镁。

这些化合物在特定的温度范围内表现出良好的磁性能，但是如果超出某个温度值，磁性将失去，这个温度称为居里温度（T c）。

铁氧体材料非常容易磁化，并且具有相当高的电阻率。

这些材料不需要像硅钢片那样分层隔离就能用在高频的应用场合。

高频铁氧体磁性材料主要可分为两大类：锰锌（MnZn）铁氧体材料和镍锌（NiZn）铁氧体材料。

比较而言，NiZn材料的电阻率较高，一般认为在高频应用场合下具有较低的涡流损耗。

但是最近的研究表明，如果颗粒的尺寸足够小而且均匀，在几兆赫兹范围内MnZn材料显示出较NiZn材料更为优越的特性，例如，TDK公司的H7F材料以及MAGNETICS公司的K材料就是采用这种技术，适用于兆赫兹工作频率下工作的新型铁氧体材料。

3．粉芯材料粉芯材料是将一些合金原料研磨成精细的粉末状颗粒，然后在这些颗粒的表面覆盖上一层绝缘物质（它用来控制气隙的尺寸，并且降低涡流损耗），最后这些粉末在高压下形成各种磁芯形状。

磁性元件及高频变压器设计成继勋 2009.12.31（2011.3.22修改）1 磁性材料的磁化1.1 磁化曲线在外磁场（或电流）的作用下，磁性材料被磁化，磁化曲线如图图1.1 图1.2 在交变磁场的作用下，形成磁滞回线。

H H B r 0μμμ== （1.1）H -磁场强度，SI 单位制A/m ；CGS 制：Oe （奥斯特），1A/m=4π×10-3OeB -磁通密度（磁感应强度，磁化强度）SI 单位制：T （Tesla 特斯拉）；CGS 制：Gs （高斯），1T=104Gsμ-磁导率，H/m （亨利/米）；μ0-真空磁导率，SI 单位制中μ0= 4π×10-7H/m ，CGS 制中μ0=1。

μr -相对磁导率，无量纲在均匀磁场中SB ϕ=（1.2）φ-磁通量，SI 单位制：Wb （韦，韦伯）；CGS 制：Mx （麦，麦克斯韦）1Wb=10-8Mx S -面积，SI 单位制：m 2; CGS 制：cm 2Hs 称饱和磁场强度，Hc 称矫顽力 Bs 饱和磁通密度，Br 剩余磁通密度（剩磁）1.2 几个磁导率的概念（1）初始磁导率 )0(0→∆∆=H HBi μμ （2）最大磁导率μm ：磁化曲线上μm 的最大值max0HB m μμ=（3）增量磁导率(脉冲磁导率) μΔDCH H HB =∆∆∆=0μμ图1.3即在具有直流偏置磁场时，再加上一个交流磁场，这时测得的磁导率。

（4）幅值磁导率 μa没有直流偏置时，交变磁场强度的幅值与磁通密度幅值的关系称为幅值磁导率μa（5）有效磁导率μe在磁路中存在气隙，即非闭合磁路条件下，测得的磁导率为有效磁导率1.3 安培环路定律图1.4 图1.5∑⎰⎰==I dl H l d H lαcos （1.3） 对绕N 匝线，电流为I 的磁环NI Hl l d Hl==⎰ （1.4）式中，l=2πr 为磁路长度，H 为磁芯中的磁场强度为lNIH =（1.5） NI F = （1.6）称为磁（动）势，单位A ，常称为安匝。