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高频电源变压器磁芯的设计原理

更新日期:2006-08-23  作者:王耕福  来源:

高频电源变压器磁芯的设计原理
作者:王耕福

1 引言

电子信息产业的迅速发展,对高频开关式电源不断提出新的要求。据报导,全球开关电源市场规模已超过100亿美元[1]。通信、计算机和消费电子产品是开关电源的三大主力市场。庞大的开关电源市场主要由AC/DC和DC/DC开关电源两部分组成。据预测,AC/DC开关电源全球销售收入将从1999年的91亿美元增加到2004年的122亿美元,年平均增长率为5.9%。低功率(0~300W)的AC/DC将面向增长平稳的消费电子产品和计算机市场;大功率(750~1500W)的AC/DC电源将面向增长强劲的电信市场。DC/DC电源约占整个开关电源市场的30%,但计算机与通信技术的快速融合,带动了DC/DC模块式电源的迅速增长。预计今后几年,DC/DC电源模块增长速度将超过AC/DC电源,有人估计,中国今后五年,DC/DC电源模块市场年增长将达15%,增长主要是在电信领域。开关式电源技术发展趋势是高密度、高效率、低噪声,以及表面贴装化。无论是AC/DC或DC/DC电源,除了功率晶体管外,由软磁铁氧体磁芯制成的主变压器、扼流圈及其它电感器(如抗噪声滤波器)是极重要的元件,其磁性能和尺寸直接关系到电源的转换效率和功率密度等。在变压器设计中,主要包括绕组设计和磁芯设计。本文拟重点讨论涉及主变压器磁芯设计中应考虑的通过功率、性能因子、热阻等参数,并对降低磁芯总损耗提出了材料微观设计应考虑的方法。
  
2 电源变压器磁芯性能要求及材料分类

为了满足开关电源提高效率和减小尺寸、重量的要求,需要一种高磁通密度和高频低损耗的变压器磁芯。虽然有高性能的非晶态软磁合金竞争,但从性能价格比考虑,软磁铁氧体材料仍是最佳的选择;特别在100kHz到1MHz的高频领域,新的低损耗的高频功率铁氧体材料更有其独特的优势。为了最大限度地利用磁芯,对于较大功率运行条件下的软磁铁氧体材料,在高温工作范围(如80~100℃),应具有以下最主要的磁特性:

1)高的饱和磁通密度或高的振幅磁导率。这样变压器磁芯在规定频率下允许有一个大的磁通偏移,其结果可减少匝数;这也有利于铁氧体的高频应用,因为截止频率正比于饱和磁通密度。

2)在工作频率范围有低的磁芯总损耗。在给定温升条件下,低的磁芯损耗将允许有高的通过功率。

附带的要求则还有高的居里点,高的电阻率,良好的机械强度等。

新发布的“软磁铁氧体材料分类”行业标准(等同IEC61332:1995),将高磁通密度应用的功率铁氧体材料分为五类,见表1。每类铁氧体材料除了对振幅磁导率和功率损耗提出要求外,还提出了“性能因子”参数(此参数将在下面进一步叙述)。从PW1~PW5类别,其适用工作频率是逐步提高的,如PW1材料,适用频率为15~100kHz,主要应用于回扫变压器磁芯;PW2材料,适用频率为25~200kHz,主要应用于开关电源变压器磁芯;PW3材料,适用频率为100~300kHz;PW4材料适用频率为300kHz~1MHz;PW5材料适用频率为1~3MHz。现在国内已能生产相当于PW1~PW3材料,PW4材料只能小量试生产,PW5材料尚有待开发。

3 变压器可传输功率

众所周知,变压器的可传输功率Pth正比于工作频率f,最大可允许磁通密度Bmax(或可允许磁通偏移ΔB)和磁路截面积Ae,并表示为

Pth = CfBmaxAeWd (1)

式中,C为与开关电源电路工作型式有关的系数(如推挽式C=1;正向变换器C=0.71;反向变换器C=0.61);Wd为绕组设计参数(包含电流密度S,占空因子fCu,绕组截面积AN等)。

这里,我们重点讨论(fBmaxAe)参数(暂不讨论绕组设计参数Wd)。增大磁芯尺寸(增大Ae)可提高变压器通过功率,但当前开关电源的目标是在给定通过功率下要减小尺寸和重量。假定固定温升,对一个给定尺寸的磁芯,通过功率近似正比于频率。图1示出变压器可传输功率Pth与频率f的关系。提高开关频率除了要应用快速晶体管以外,还受其它电路影响所限制,如电压和电流的快速改变,在开关电路中产生扩大的谐波谱线,造成无线电频率干扰,电源的辐射。对变压器磁芯来说,提高工作频率则要求改进高频磁芯损耗。图1中N67材料(西门子公司)比N27材料有更低的磁芯损耗,允许更大的磁通密度偏移ΔB,因而变压器可传输更大的功率。图2示出磁芯损耗与频率的关系。磁芯总损耗PL与工作频率f及工作磁通密度B的关系由下式表示:

PL=KfmBnVe (2)



式中,n是Steinmetz指数,对功率铁氧体来说,典型值是2.5;指数m=1~1.3(当磁损耗单纯地由磁滞损耗引起时,m=1;当f=10~100kHz时,m=1.3;当f>100kHz时,m将随频率增高而增大,见图2,这个额外损耗是由于涡流损耗或剩余损耗引起的)。很明显,对于高频运行的铁氧体材料,要努力减小m值。

4 工作磁通密度

变压器工作磁通密度(可允许磁通密度偏移)受两方面限制:首先是受磁芯损耗引起的可允许温升△θFe的限制;另一方面,也受铁氧体材料饱和磁通密度值的限制。

对单端正向型变压器,工作磁通密度△B=Bm-Br;对推挽式变压器,工作磁通密度△B=2Bm。

根据(2)式,当工作磁通密度提高时,磁芯损耗将以2.5次方指数上升,从而造成变压器温升,因此设计的工作磁通密度首先受磁芯温升值限制,其关系式为

式中,常数CB与指数n是与磁芯材料有关的系数;Ve为有效体积;Rth为热阻。

当计算出的磁通密度值较高时,△B还应受磁芯材料可允许磁通密度偏移△Badm(此值与材料高温下Bs值相对应)所限制。

在这里,必须注意对不等截面磁芯(如E型磁芯),在最小横截面Amin处有较高的磁通密度。为避免磁芯饱和,还必须按下式计算:


由(3)、(4)式所得到的最小磁密偏移值,即为可允许的变压器工作磁通密度值。

5 材料性能因子

由铁氧体磁芯制成的变压器,其通过功率直接正比于工作频率f和最大可允许磁通密度Bmax的乘积((1)式)。很明显,对传输相同功率来说,高的(f Bmax)乘积允许小的磁芯体积;反之,相同磁芯尺寸的变压器,采用高(f Bmax)的铁氧体材料,可传输更大的功率。我们将此乘积称为“性能因子”(PF),这是与铁氧体材料有关的参数,良好的高频功率铁氧体显示出高的(fBmax)值。图3示出德国西门子公司几种铁氧体材料的性能因子(PF)与频率的关系,功率损耗密度定为300mW/cm3(100℃),可用来度量可能的通过功率。可以看到,经改进过的H49i材料在900kHz时达到最大的(f Bmax)为3700HzT,比原来生产的H49材料有更高的值,而N59材料则可使用到f=1MHz以上频率。

改进“性能因子”可从降低材料高频损耗着手,已发现对应性能因子最大值的频率与材料晶粒尺寸d、交流电阻率ρ有关,如图4所示,考虑到涡流损耗与d2/ρ之间的关系,两者结果是相一致的。
6 热阻

为了得到最佳的功率传输,变压器温升通常分为二个相等的部分:磁芯损耗引起的温升△θFe和铜损引起的温升△θCu。关于磁芯总损耗与温升的关系如图5所示。对相同尺寸的磁芯(RM14磁芯),采用不同的铁氧体材料(热阻系数不同),其温升值是不同的,其中N67材料有比其它材料更低的热阻。于是,磁芯温升与磁芯总损耗的关系可用下式表示:

 △θFe =Rth·P Fe (5)

式中,Rth即为热阻,定义为每瓦特总消散时规定热点处的温升(K/W)。铁氧体材料的热传导系数,磁芯尺寸及形状对热阻有影响,并可用下述经验公式来表示:

式中,S为磁芯表面积;d为磁芯尺寸;α为表面热传导系数;λ为磁芯内部热传导系数。由(6)式可见,对电源变压器用的铁氧体材料,必须具有低的功率损耗和高的热传导系数。实际测量表明,图5所示的N67材料显示高的热导性。从微观结构考虑,高的烧结密度,均匀的晶粒结构,以及晶界里有足够的Ca浓度的材料,将具有高的热导性。图6示出不同磁芯形状、尺寸、重量m对变压器热阻的影响。从磁芯尺寸、形状考虑,较大磁芯尺寸具有低的热阻,其中ETD磁芯具有优良的热阻特性;另外无中心孔的RM磁芯(RM14 A)显示出比有中心孔磁芯(RM14B)更低的热阻。
对高频电源变压器磁芯,磁芯设计时应尽量增加暴露表面,如扩大背部和外翼,或制成宽而薄的形状(如低矮形RM磁芯,PQ型磁芯等),均可降低热阻,提高通过功率。

7 磁芯总损耗

软磁铁氧体磁芯总损耗通常是由三部分构成的:磁滞损耗Ph,涡流损耗Pe和剩余损耗Pr。每种损耗产生的频率范围是不同的。磁滞损耗正比于直流磁滞回线的面积,并与频率成线性关系,即

量的直流磁滞回线的等值能。对于工作在频率100kHz以下的功率铁氧体磁芯,降低磁滞损耗是最重要的。为降低损耗,要选择铁氧体成分使材料具有最小矫顽力Hc和最小各向异性常数K,理想情况是各向异性补偿点(即K≈0)位于变压器工作温度(约80~100℃)。另外,此成分应有低的磁致伸缩常数λ,工艺上要避免内外应力和夹杂物。采用大而均匀的晶粒是有利的,因为Hc∝D-1(D是晶粒尺寸)。

涡流损耗Pe可用下式表示:

Pe=Cef2B2/ρ

式中,Ce是尺寸常数,ρ是在测量频率f时的电阻率。

随着开关电源小型化和工作频率的提高,由于Pe∝f 2,因而降低涡流损耗对高频电源变压器更为重要。随着频率提高,涡流损耗在总损耗中所占比例逐步增大,当工作频率达200~500kHz时,涡流损耗常常已占支配地位。这从图7所示的R2KB1材料磁芯总损耗(包括磁滞和涡流损耗)与频率f关系实测曲线,可得到证明。减小涡流损耗主要是提高多晶铁氧体的电阻率。从材料微观结构考虑,应有均匀的小晶粒,以及高电阻率的晶界和晶粒。因为小晶粒具有最大晶界表面而增大电阻率,而在材料中添加CaO+SiO2或者Nb2O5、ZrO2和Ta2O5均对增高电阻率有益。

最近发现,当电源变压器磁芯工作在达MHz频率时,剩余损耗已占支配地位,采用细晶粒铁氧体已成功地缩小了此损耗的贡献。对MnZn铁氧体来说,在MHz频率出现铁磁谐振,形成了铁氧体的损耗。最近有人提出[5],当铁氧体的磁导率μi随晶粒尺寸减小而降低时,Snoek定律仍是有效的,也就是说,细晶粒材料显示出高的谐振频率,因此可用于更高频率。另外,对晶粒尺寸小到纳米级的铁氧体材料研究表明,在此频段还应考虑晶粒内畴壁损耗。

 
本文摘自《E带电子
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