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电力电子技术中磁性元器件的新进展1 前言电力电子技术的发展，决定于主要的电力电子元器件，例如电子开关元器件，整流元器件和控制元器件。
作为配套元器件之一的磁性元器件也对电力电子技术产生不可低估的影响。
磁性元器件根据它们的作用，有以下几种：（1）起电能传送、电压变换和绝缘隔离作用的电源变压器，包括整流变压器、逆变变压器和开关电源变压器等。
（2）起控制开关元器件、脉冲变换和绝缘隔离作用的脉冲变压器、触发变压器和驱动变压器等。
（3）起电参数变换和稳定作用的相数变换变压器，频率变换变压器（铁磁式倍频器和分频器），稳压变压器、稳流变压器和参数变压器等。
（4）起抑制纹波、突变、EMI和噪声的滤波电感器、噪声和尖峰吸收电感器等。
（5）起电流电压信号变换和检测作用的电流互感器、电压互感器和霍尔电流电压检测器等。
有一段时期，这些电力电子技术中的磁性元件被称为特种变压器和特种电感器，从便与电力变压器和电力电感器相区别。
后来，由于电力电子技术的发展，使电子技术涵盖了从低到高的频率范围，从小到大的功率范围，成为包括微电子技术，无线电电子技术和电力电子技术的一个整体。
因此，把电力电子技术中的磁性元器件和其他电子技术中的磁性元器件归在一起，由于其中变压器占主要地位，都用“电子变压器”作为统一的名称。
电力电子技术中的磁性元器件，是电子变压器的一部份。
电力电子技术发展对磁性元器件提出的要求，是推动电子变压器发展的动力。
电子变压器的发展，也为电力电子技术的发展提供有力的基础。
特别是近十年来，磁性元器件所用的软磁材料和磁芯结构的新进展，使其性能有显著的变化，为电力电子技术高频化和小型化起着推动作用，解决了一些关键的难点。
为了使电力电子技术和电子变压器在我国都得到快速发展，两个行业之间进行信息交流将会起积极作用。
《国际电子变压器》编辑部收集材料，编写“电力电子技术中磁性元器件的新进展”，是希望以本文为契机，加强与电力电子行业的交流和联系。
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。
电力电子技术中磁性元件的设计董锋斌,皇金锋,蒋 军(陕西理工学院 陕西汉中 723003)摘 要:针对从事电力电子技术和电源技术工程师对磁性元件设计难的问题,分析了磁性器件在电路中的作用和铁心工作的3种状态,提出设计和选择磁性材料、铁心形状和铁心截面积的依据,设计和选择绕组线圈匝数和绕组线径的依据,以便从事这方面的设计人员更方便更有效地进行设计。
关键词:电力电子技术;磁性材料;铁心形状;绕组线径;线圈匝数中图分类号:TM27 文献标识码:B 文章编号:1004373X (2006)1112303Design for Magnetic Elements in Pow er Electronic T echnologyDON G Fengbin ,HUAN G Jinfeng ,J IAN G J un(Shaanxi University of Technology ,Hanzhong ,723003,China )Abstract :Aiming at the problem of design the magnetic elements for engineers who work hard at power electronic tech nology and electrical source technology ,magnetic elements action in electrocircuit and three working order of iron core are ana 2lyzed ,the gists for designing and selecting magnetism material ,figure and sectional area are brought forward.At the same time the gists for designing and selecting loop turns and diameter are introduced.Thus they can design and select magnetic elements more effectively and more expediently.K eywords :power electronic technology ;magnetism material ;iron core figure ;loop turns ;loop diameter收稿日期:20060316基金项目:陕西理工学院校内科研基金项目(SL G0446)1 引 言电力电子技术是横跨电力能源、电子器件、控制理论三大学科的交叉学科,是为各种各样的负载提供形式多样的电源的技术。
在其电路拓扑设计过程中,都能涉及到磁性元件的设计和参数选择问题,如直流滤波电感,储能、谐振电感,推挽、桥式变换器的变压器,脉冲变压器,驱动变压器等。
显然,这些感性元件的设计是否合理,直接影响到电路的功能及特性。
一般在设计时最主要的理论依据是麦克斯韦方程组和磁路的一些基本知识。
但对于许多从事电力电子技术及电源技术的科技工作者而言,不易掌握有关磁性器件的知识,再加上磁性器件的工作情况比较复杂,在选磁性器件时又不像别的其他电子元件那样有成品可选择,而要进行设计。
在设计时涉及的参数又太多,且参数的测量也困难,使人们感到对有关磁性器件的设计难以把握[1]。
在设计磁性器件时,涉及到的必须选择的参数主要包括:铁心的材料、形状和截面积;线圈的匝数和线径等。
下面就针对性地提出一些简单合理的选择依据。
2 选择铁心材料的依据2.1 分析和确定磁性器件在电路中的作用首先确定磁性器件在电路中的作用,因为只有明确其作用,才能选择合理的铁心材料。
在以往的工程实践和研究中发现,某些铁心材料具备某些特殊的用途。
下面列举一些常见的铁心材料在磁性器件铁心中的典型应用[2]。
硅钢片 很高的饱和磁密,磁导率高,常用作成本低、交流电器的材料,发电机、电动机的电抗器,继电器,小型中低频变压器等。
有些特种硅钢也可用作高频脉冲变压器,高频电抗器。
软磁铁氧体 易被磁化,但电阻率高,能用于高频场合,成本低,主要用作:通讯用线圈,脉冲、中周变压器,回描变压器,输出滤波电感,EMI 差模、共模电感,谐振电感,互感器等。
坡莫合金 高磁导率,高磁通密度,主要用作:继电器-变换器,磁屏蔽,磁头,输出滤波电感,反激变换器中主变压器的铁心,BUCK/BOOST 变换中做电感器的铁心,做功率因数校正电感的铁心,做EMI 滤波电感、高品质因数滤波电感、谐振电感的铁心,磁放大器,脉冲变压器等。
非晶合金 饱和磁密高,电阻率大,矫顽力小,主要用作:磁放大器,开关电源变压器,高频电感器,逆变电源变压器,脉冲变压器,互感器,PFC ,输出滤波电感器等。
321《现代电子技术》2006年第11期总第226期 电子技术应用金属磁粉芯 高饱和磁密,其种类较多,其中铁粉芯主要用作:U PS 中做PFC 电感和输出滤波电感,计算机电源中作输出滤波电感的铁心,EMI 滤波器中作差模电感等;铁硅铝粉芯主要用作:PFC 电感,输出滤波电感的铁心,EMI 滤波器中作差模电感,反激变换器中主变压器的铁心及其他脉冲变压器的铁心;高通磁粉芯用作开关电源中储能电感,EMI 滤波器中差模电感,反激变换器中主变压器的及其他脉冲变压器的铁心,功率因数校正电感等;坡莫合金粉芯用作反激变换器中主变压器,BUCK/BOOST 变换中做电感器的铁心,功率因数校正电感,EMI滤波器中滤波电感,高品质因数滤波电感、谐振电感的铁心[3]等。
2.2 确定磁性器件铁心的工作状态要正确选取铁心材料,就必须了解其铁心内部磁通的变化规律,磁性元件的作用不同,其铁心的工作方式不同,工作状态也不同。
一般地,他有3种工作状态。
2.2.1 第一种工作状态———铁心的双向磁化这种工作状态的工作特点:铁心线圈的外加励磁电压(电流)是一个交变量,其正、负半周的波形、幅值及导通脉宽都相同,或正、负半周的伏秒乘积相同。
如推挽式或桥式变换器中的主变换器铁心等工作在这种状态。
其铁心的磁滞回线如图1所示。
从图1可以看出:(1)铁心的工作磁密在±B m 之间变化,ΔB =2B m ,铁心的利用率高,如果B s 选得大,则B m 可取大,铁心得体积与重量就越小,所以宜采用高饱和磁密的材料。
(2)磁滞回线交替变化,铁心损耗较大。
设匝数为n 的电感器通过交流电流i (t ),在一个周期T 内进入其全部能量为W =∮u (t )i (t )d t ,忽略绕组的电阻,由电磁感应定律和安培环路定律得,W =∮nA Cd B (t )d t H (t )l cnd t =A C l C ∮H d B ,其磁滞损耗为P H =f A C l C ∮H d B ,由上式得到,在高频时,磁滞损耗更大,因此应选用磁滞回线窄及电阻率大的铁心。
(3)为了减少励磁电流,变压器的铁心应选择磁导率较高的材料。
图1 铁心的磁滞回线图2 铁心的局部磁滞回线2.2.2 第二种工作状态———铁心单向磁化这种工作状态的工作特点:铁心的单向磁化,其励磁磁场强度在0～H m 之间变化。
一般加在铁心线圈上的励磁电压为单向脉冲,如单端正激变换器的主变压器及一般脉冲变压器、驱动变压器等的铁心都工作在这种状态。
他的磁滞回线如图2。
从图2可以看出:(1)铁心的工作磁密变化量ΔB =B m -B r <B s -B r ,铁心的利用率比较低。
为了增大ΔB ,应选择高B s 及低B s 的材料;或将铁心开一小气隙以降低B r ,但这会使励磁电流增大,从而损耗增大。
(2)相对第一种工作状态,铁心工作在局部磁滞回线上,局部磁滞回线包围的面积较小,其损耗较小。
2.2.3 第三种工作状态———励磁磁场强度变化小的单向磁化 这种工作状态的工作特点:铁心的单向磁化,其励磁磁场强度在一个较大的直流励磁分量H dc 上再叠加一个较小的交流励磁分量ΔH ,如在直流滤波电感,储能电感,平波电抗器中。
他的磁滞回线如图3铁心的局部磁滞回线。
图3 铁心的局部磁滞回线从图3可以看出:(1)铁心的交变磁化分量很小,ΔB =B m -B r ,铁心的利用率低。
局部磁滞回线包围的面积很小,其损耗很小。
(2)线圈电流含有较大的直流分量,线圈电流的最大值I m 较大,相应产生的励磁磁场强度也较大,铁心容易饱和。
为防止饱和,在铁心中加适当的气隙或选用磁导率在较宽的励磁范围内恒定的合金磁性材料。
(3)如希望电感线圈的储能12L I 2m 大,由于12L I 2m =12μ0μen 2A Cl C・H m l C n 2=12B m H m V e ,μe 为加气隙后的等效磁导率,V e =AC l C 为铁心的体积,B m =μ0μe H m 是最大工作磁密。
因此,要使电感器的储能大,可选择B S 大的材料,或增大铁心的体积。
2.3 常用的磁材料的磁性能比较根据磁性元件的作用和铁心的工作状态,可以看出能完成同一功能的铁心材料有多种,但选择哪一种,还必须参考表1。
421电子技术董锋斌等:电力电子技术中磁性元件的设计表1 常用的磁材料的磁性能比较磁性材料饱和磁密B s/T矩形比B r/B s初始磁导率μi最大磁导率μm矫顽力H C/(A/m)电阻率ρ(Ω・cm)铁心损耗P Fe(mW/cm3)密度d(g/cm3)居里温度T e/℃铁氧体0.36低750-23001510025k Hz/012T-1200417140高μ铁氧体0138低5～15k>5k630100k Hz/012T-600419130功率铁氧体0151低114～3k>3k14600200k Hz/011T-300500k Hz/0105T-150418215铁粉芯114低10～1003001k Hz/012T-14010k Hz/012T-1500615FeSiAl粉芯1105低26～12525k Hz/011T-120100k Hz/01025T-50519HF粉芯115低14～16010k Hz/011T-120100k Hz/01025T-125718MPP粉芯0175低14～55025k Hz/011T-100100k Hz/01025T-20817460硅钢2103低、中100040k3047×10-650Hz/117T-101k Hz/110T-1507165740坡莫合金116低中高50k180k11245×10-610k Hz/015T-2708125480超坡莫合金0187中高70k200k01455×10-610k Hz/015T-1508185400铁基非晶1159低中高30k250k312130×10-660Hz/110T-41k Hz/110T-675k Hz/012T-2410k Hz/012T-60712392铁镍基非晶018中、高400k112138×10-610k Hz/012T-12025k Hz/012T-580718360钴基非晶016低、中、高100k400k112142×10-625k Hz/012T-40100k Hz/012T-380200k Hz/011T-3407163002.4 选择铁心的形状下面对常见的铁心形状的特点及适用范围做简单的介绍。
