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陕西快乐十分前三统计:高頻電源變壓器磁芯的設計原理

更新日期:2006-08-23  作者:王耕福  來源:

高頻電源變壓器磁芯的設計原理
作者:王耕福

陕西快乐十分即时开奖 www.uvcfk.com 1 引言

電子信息產業的迅速發展,對高頻開關式電源不斷提出新的要求。據報導,全球開關電源市場規模已超過100億美元[1]。通信、計算機和消費電子產品是開關電源的三大主力市場。龐大的開關電源市場主要由AC/DC和DC/DC開關電源兩部分組成。據預測,AC/DC開關電源全球銷售收入將從1999年的91億美元增加到2004年的122億美元,年平均增長率為5.9%。低功率(0~300W)的AC/DC將面向增長平穩的消費電子產品和計算機市??;大功率(750~1500W)的AC/DC電源將面向增長強勁的電信市場。DC/DC電源約占整個開關電源市場的30%,但計算機與通信技術的快速融合,帶動了DC/DC??槭?a href='//www.uvcfk.com/elec_article/3' target=_blank>電源的迅速增長。預計今后幾年,DC/DC電源??樵齔に俁冉鼳C/DC電源,有人估計,中國今后五年,DC/DC電源??槭諧∧暝齔そ?5%,增長主要是在電信領域??厥?a href='//www.uvcfk.com/elec_article/3' target=_blank>電源技術發展趨勢是高密度、高效率、低噪聲,以及表面貼裝化。無論是AC/DC或DC/DC電源,除了功率晶體管外,由軟磁鐵氧體磁芯制成的主變壓器、扼流圈及其它電感器(如抗噪聲濾波器)是極重要的元件,其磁性能和尺寸直接關系到電源的轉換效率和功率密度等。在變壓器設計中,主要包括繞組設計和磁芯設計。本文擬重點討論涉及主變壓器磁芯設計中應考慮的通過功率、性能因子、熱阻等參數,并對降低磁芯總損耗提出了材料微觀設計應考慮的方法。
  
2 電源變壓器磁芯性能要求及材料分類

為了滿足開關電源提高效率和減小尺寸、重量的要求,需要一種高磁通密度和高頻低損耗的變壓器磁芯。雖然有高性能的非晶態軟磁合金競爭,但從性能價格比考慮,軟磁鐵氧體材料仍是最佳的選擇;特別在100kHz到1MHz的高頻領域,新的低損耗的高頻功率鐵氧體材料更有其獨特的優勢。為了最大限度地利用磁芯,對于較大功率運行條件下的軟磁鐵氧體材料,在高溫工作范圍(如80~100℃),應具有以下最主要的磁特性:

1)高的飽和磁通密度或高的振幅磁導率。這樣變壓器磁芯在規定頻率下允許有一個大的磁通偏移,其結果可減少匝數;這也有利于鐵氧體的高頻應用,因為截止頻率正比于飽和磁通密度。

2)在工作頻率范圍有低的磁芯總損耗。在給定溫升條件下,低的磁芯損耗將允許有高的通過功率。

附帶的要求則還有高的居里點,高的電阻率,良好的機械強度等。

新發布的“軟磁鐵氧體材料分類”行業標準(等同IEC61332:1995),將高磁通密度應用的功率鐵氧體材料分為五類,見表1。每類鐵氧體材料除了對振幅磁導率和功率損耗提出要求外,還提出了“性能因子”參數(此參數將在下面進一步敘述)。從PW1~PW5類別,其適用工作頻率是逐步提高的,如PW1材料,適用頻率為15~100kHz,主要應用于回掃變壓器磁芯;PW2材料,適用頻率為25~200kHz,主要應用于開關電源變壓器磁芯;PW3材料,適用頻率為100~300kHz;PW4材料適用頻率為300kHz~1MHz;PW5材料適用頻率為1~3MHz。現在國內已能生產相當于PW1~PW3材料,PW4材料只能小量試生產,PW5材料尚有待開發。

3 變壓器可傳輸功率

眾所周知,變壓器的可傳輸功率Pth正比于工作頻率f,最大可允許磁通密度Bmax(或可允許磁通偏移ΔB)和磁路截面積Ae,并表示為

Pth = CfBmaxAeWd (1)

式中,C為與開關電源電路工作型式有關的系數(如推挽式C=1;正向變換器C=0.71;反向變換器C=0.61);Wd為繞組設計參數(包含電流密度S,占空因子fCu,繞組截面積AN等)。

這里,我們重點討論(fBmaxAe)參數(暫不討論繞組設計參數Wd)。增大磁芯尺寸(增大Ae)可提高變壓器通過功率,但當前開關電源的目標是在給定通過功率下要減小尺寸和重量。假定固定溫升,對一個給定尺寸的磁芯,通過功率近似正比于頻率。圖1示出變壓器可傳輸功率Pth與頻率f的關系。提高開關頻率除了要應用快速晶體管以外,還受其它電路影響所限制,如電壓和電流的快速改變,在開關電路中產生擴大的諧波譜線,造成無線電頻率干擾,電源的輻射。對變壓器磁芯來說,提高工作頻率則要求改進高頻磁芯損耗。圖1中N67材料(西門子公司)比N27材料有更低的磁芯損耗,允許更大的磁通密度偏移ΔB,因而變壓器可傳輸更大的功率。圖2示出磁芯損耗與頻率的關系。磁芯總損耗PL與工作頻率f及工作磁通密度B的關系由下式表示:

PL=KfmBnVe (2)



式中,n是Steinmetz指數,對功率鐵氧體來說,典型值是2.5;指數m=1~1.3(當磁損耗單純地由磁滯損耗引起時,m=1;當f=10~100kHz時,m=1.3;當f>100kHz時,m將隨頻率增高而增大,見圖2,這個額外損耗是由于渦流損耗或剩余損耗引起的)。很明顯,對于高頻運行的鐵氧體材料,要努力減小m值。

4 工作磁通密度

變壓器工作磁通密度(可允許磁通密度偏移)受兩方面限制:首先是受磁芯損耗引起的可允許溫升△θFe的限制;另一方面,也受鐵氧體材料飽和磁通密度值的限制。

對單端正向型變壓器,工作磁通密度△B=Bm-Br;對推挽式變壓器,工作磁通密度△B=2Bm。

根據(2)式,當工作磁通密度提高時,磁芯損耗將以2.5次方指數上升,從而造成變壓器溫升,因此設計的工作磁通密度首先受磁芯溫升值限制,其關系式為

式中,常數CB與指數n是與磁芯材料有關的系數;Ve為有效體積;Rth為熱阻。

當計算出的磁通密度值較高時,△B還應受磁芯材料可允許磁通密度偏移△Badm(此值與材料高溫下Bs值相對應)所限制。

在這里,必須注意對不等截面磁芯(如E型磁芯),在最小橫截面Amin處有較高的磁通密度。為避免磁芯飽和,還必須按下式計算:


由(3)、(4)式所得到的最小磁密偏移值,即為可允許的變壓器工作磁通密度值。

5 材料性能因子

由鐵氧體磁芯制成的變壓器,其通過功率直接正比于工作頻率f和最大可允許磁通密度Bmax的乘積((1)式)。很明顯,對傳輸相同功率來說,高的(f Bmax)乘積允許小的磁芯體積;反之,相同磁芯尺寸的變壓器,采用高(f Bmax)的鐵氧體材料,可傳輸更大的功率。我們將此乘積稱為“性能因子”(PF),這是與鐵氧體材料有關的參數,良好的高頻功率鐵氧體顯示出高的(fBmax)值。圖3示出德國西門子公司幾種鐵氧體材料的性能因子(PF)與頻率的關系,功率損耗密度定為300mW/cm3(100℃),可用來度量可能的通過功率??梢鑰吹?,經改進過的H49i材料在900kHz時達到最大的(f Bmax)為3700HzT,比原來生產的H49材料有更高的值,而N59材料則可使用到f=1MHz以上頻率。

改進“性能因子”可從降低材料高頻損耗著手,已發現對應性能因子最大值的頻率與材料晶粒尺寸d、交流電阻率ρ有關,如圖4所示,考慮到渦流損耗與d2/ρ之間的關系,兩者結果是相一致的。
6 熱阻

為了得到最佳的功率傳輸,變壓器溫升通常分為二個相等的部分:磁芯損耗引起的溫升△θFe和銅損引起的溫升△θCu。關于磁芯總損耗與溫升的關系如圖5所示。對相同尺寸的磁芯(RM14磁芯),采用不同的鐵氧體材料(熱阻系數不同),其溫升值是不同的,其中N67材料有比其它材料更低的熱阻。于是,磁芯溫升與磁芯總損耗的關系可用下式表示:

 △θFe =Rth·P Fe (5)

式中,Rth即為熱阻,定義為每瓦特總消散時規定熱點處的溫升(K/W)。鐵氧體材料的熱傳導系數,磁芯尺寸及形狀對熱阻有影響,并可用下述經驗公式來表示:

式中,S為磁芯表面積;d為磁芯尺寸;α為表面熱傳導系數;λ為磁芯內部熱傳導系數。由(6)式可見,對電源變壓器用的鐵氧體材料,必須具有低的功率損耗和高的熱傳導系數。實際測量表明,圖5所示的N67材料顯示高的熱導性。從微觀結構考慮,高的燒結密度,均勻的晶粒結構,以及晶界里有足夠的Ca濃度的材料,將具有高的熱導性。圖6示出不同磁芯形狀、尺寸、重量m對變壓器熱阻的影響。從磁芯尺寸、形狀考慮,較大磁芯尺寸具有低的熱阻,其中ETD磁芯具有優良的熱阻特性;另外無中心孔的RM磁芯(RM14 A)顯示出比有中心孔磁芯(RM14B)更低的熱阻。
對高頻電源變壓器磁芯,磁芯設計時應盡量增加暴露表面,如擴大背部和外翼,或制成寬而薄的形狀(如低矮形RM磁芯,PQ型磁芯等),均可降低熱阻,提高通過功率。

7 磁芯總損耗

軟磁鐵氧體磁芯總損耗通常是由三部分構成的:磁滯損耗Ph,渦流損耗Pe和剩余損耗Pr。每種損耗產生的頻率范圍是不同的。磁滯損耗正比于直流磁滯回線的面積,并與頻率成線性關系,即

量的直流磁滯回線的等值能。對于工作在頻率100kHz以下的功率鐵氧體磁芯,降低磁滯損耗是最重要的。為降低損耗,要選擇鐵氧體成分使材料具有最小矯頑力Hc和最小各向異性常數K,理想情況是各向異性補償點(即K≈0)位于變壓器工作溫度(約80~100℃)。另外,此成分應有低的磁致伸縮常數λ,工藝上要避免內外應力和夾雜物。采用大而均勻的晶粒是有利的,因為Hc∝D-1(D是晶粒尺寸)。

渦流損耗Pe可用下式表示:

Pe=Cef2B2/ρ

式中,Ce是尺寸常數,ρ是在測量頻率f時的電阻率。

隨著開關電源小型化和工作頻率的提高,由于Pe∝f 2,因而降低渦流損耗對高頻電源變壓器更為重要。隨著頻率提高,渦流損耗在總損耗中所占比例逐步增大,當工作頻率達200~500kHz時,渦流損耗常常已占支配地位。這從圖7所示的R2KB1材料磁芯總損耗(包括磁滯和渦流損耗)與頻率f關系實測曲線,可得到證明。減小渦流損耗主要是提高多晶鐵氧體的電阻率。從材料微觀結構考慮,應有均勻的小晶粒,以及高電阻率的晶界和晶粒。因為小晶粒具有最大晶界表面而增大電阻率,而在材料中添加CaO+SiO2或者Nb2O5、ZrO2和Ta2O5均對增高電阻率有益。

最近發現,當電源變壓器磁芯工作在達MHz頻率時,剩余損耗已占支配地位,采用細晶粒鐵氧體已成功地縮小了此損耗的貢獻。對MnZn鐵氧體來說,在MHz頻率出現鐵磁諧振,形成了鐵氧體的損耗。最近有人提出[5],當鐵氧體的磁導率μi隨晶粒尺寸減小而降低時,Snoek定律仍是有效的,也就是說,細晶粒材料顯示出高的諧振頻率,因此可用于更高頻率。另外,對晶粒尺寸小到納米級的鐵氧體材料研究表明,在此頻段還應考慮晶粒內疇壁損耗。

 
本文摘自《E帶電子
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