磁性器件中磁芯的選用及設(shè)計

開關(guān)電源中使用的磁性器件較多，其中常用的軟磁器件有：作為開關(guān)電源核心器件的主變壓器(高頻功率變壓器)、共模扼流圈、高頻磁放大器、濾波阻流圈、尖峰信號抑制器等。不同的器件對材料的性能要求各不相同，如表所示為各種不同器件對磁性材料的性能要求。

(一)、高頻功率變壓器

變壓器鐵芯的大小取決于輸出功率和溫升等。變壓器的設(shè)計公式如下：

P=KfNBSI×10-6T=hcPc+hWPW

其中，P為電功率;K為與波形有關(guān)的系數(shù);f為頻率;N為匝數(shù);S為鐵芯面積;B為工作磁感;I為電流;T為溫升;Pc為鐵損;PW為銅損;hc和hW為由實驗確定的系數(shù)。

由以上公式可以看出：高的工作磁感B可以得到大的輸出功率或減少體積重量。但B值的增加受到材料的Bs值的限制。而頻率f可以提高幾個數(shù)量級，從而有可能使體積重量顯著減小。而低的鐵芯損耗可以降低溫升，溫升反過來又影響使用頻率和工作磁感的選取。一般來說，開關(guān)電源對材料的主要要求是：盡量低的高頻損耗、足夠高的飽和磁感、高的磁導(dǎo)率、足夠高的居里溫度和好的溫度穩(wěn)定性，有些用途要求較高的矩形比，對應(yīng)力等不敏感、穩(wěn)定性好，價格低。單端式變壓器因為鐵芯工作在磁滯回線的第一象限，對材料磁性的要求有別于前述主變壓器。它實際上是一只單端脈沖變壓器，因而要求具有大的B=Bm-Br，即磁感Bm和剩磁Br之差要大; 同時要求高的脈沖磁導(dǎo)率。特別是對于單端反激式開關(guān)主變壓器，或稱儲能變壓器，要考慮儲能要求。

線圈儲能的多少取決于兩個因素： 一個是材料的工作磁感Bm值或電感量L， 另一個是工作磁場Hm或工作電流I，儲能W=1/2LI2。這就要求材料有足夠高的Bs值和合適的磁導(dǎo)率，常為寬恒導(dǎo)磁材料。對于工作在±Bm之間的變壓器來說，要求其磁滯回線的面積，特別是在高頻下的回線面積要小，同時為降低空載損耗、減小勵磁電流，應(yīng)有高磁導(dǎo)率，最合適的為封閉式環(huán)形鐵芯，其磁滯回線見圖所示，這種鐵芯用于雙端或全橋式工作狀態(tài)的器件中。

通常，金屬晶態(tài)材料要降低高頻下的鐵損是不容易的，而對于非晶合金來說，它們由于不存在磁晶各向異性、金屬夾雜物和晶界等，此外它不存在長程有序的原子排列，其電阻率比一般的晶態(tài)合金高2-3倍，加之快冷方法一次形成厚度15-30微米的非晶薄帶，特別適用于高頻功率輸出變壓器。已廣泛應(yīng)用于逆變弧焊電源、單端脈沖變壓器、高頻加熱電源、不停電電源、功率變壓器、通訊電源、開關(guān)電源變壓器和高能加速器等鐵芯，在頻率20-50kHz、功率50kW以下，是變壓器最佳磁芯材料。

近年來發(fā)展起來的新型逆變弧焊電源單端脈沖變壓器，具有高頻大功率的特點，因此要求變壓器鐵芯材料具有低的高頻損耗、高的飽和磁感Bs和低的Br以獲得大的工作磁感B，使焊機體積和重量減小。常用的用于高頻弧焊電源的鐵芯材料為鐵氧體，雖然由于其電阻率高而具有低的高頻損耗， 但其溫度穩(wěn)定性較差，工作磁感較低，變壓器體積和重量較大，已不能滿足新型弧焊機的要求。采用納米晶環(huán)形鐵芯后，由于其具有高的Bs 值(Bs>1.2T)，高的ΔB 值(ΔB>0.7T)，很高的脈沖磁導(dǎo)率和低的損耗，頻率可達100kHz. 可使鐵芯的體積和重量大為減小。近年來逆變焊機已應(yīng)用納米晶鐵芯達幾萬只，用戶反映用納米晶變壓器鐵芯再配以非晶高頻電感制成的焊機，不僅體積小、重量輕、便于攜帶，而且電弧穩(wěn)定、飛濺小、動態(tài)特性好、效率高及可靠性高。這種環(huán)形納米晶鐵芯還可用于中高頻加熱電源、脈沖變壓器、不停電電源、功率變壓器、開關(guān)電源變壓器和高能加速器等裝置中?？筛鶕?jù)開關(guān)電源的頻率選用磁芯材料。

環(huán)形納米晶鐵芯具有很多優(yōu)點，但它也有繞線困難的不利因素。為了在匝數(shù)較多時繞線方便，可選用高頻大功率C 型非晶納米晶鐵芯。采用低應(yīng)力粘結(jié)劑固化及新的切割工藝制成的非晶納米晶合金C 型鐵芯的性能明顯優(yōu)于硅鋼C 型鐵芯。目前這種鐵芯已批量用于逆變焊機和切割機等。逆變焊機主變壓器鐵芯和電抗器鐵芯系列有： 120A、160A、200A、250A、315A、400A、500A、630A 系列。

(二)、脈沖變壓器鐵芯

脈沖變壓器是用來傳輸脈沖的變壓器。當(dāng)一系列脈沖持續(xù)時間為td (μs)、脈沖幅值電壓

為Um (V)的單極性脈沖電壓加到匝數(shù)為N 的脈沖變壓器繞組上時，在每一個脈沖結(jié)束時，鐵芯中的磁感應(yīng)強度增量ΔB (T)為： ΔB = Um td / NSc × 10-2 其中Sc為鐵芯的有效截面積(cm2)。即磁感應(yīng)強度增量ΔB 與脈沖電壓的面積(伏秒乘積)成正比。對輸出單向脈沖時，ΔB=Bm-Br , 如果在脈沖變壓器鐵芯上加去磁繞組時，ΔB = Bm + Br 。在脈沖狀態(tài)下，由動態(tài)脈沖磁滯回線的ΔB 與相應(yīng)的ΔHp 之比為脈沖磁導(dǎo)率μp。理想的脈沖波形是指矩形脈沖波，由于電路的參數(shù)影響，實際的脈沖波形與矩形脈沖有所差異，經(jīng)常會發(fā)生畸變。比如脈沖前沿的上升時間tr 與脈沖變壓器的漏電感Ls、繞組和結(jié)構(gòu)零件導(dǎo)致的分布電容Cs 成比例，脈沖頂降λ 與勵磁電感Lm成反比，另外渦流損耗因素也會影響輸出的脈沖波形。

脈沖變壓器的漏電感 Ls = 4βπN21 lm / h

脈沖變壓器的初級勵磁電感 Lm = 4μπp Sc N2 / l ×10-9

渦流損耗 Pe = Um d2td lF / 12 N21 Scρ

β為與繞組結(jié)構(gòu)型式有關(guān)的系數(shù)，lm為繞組線圈的平均匝長，h 為繞組線圈的寬度，N1為初級繞組匝數(shù)，l為鐵芯的平均磁路長度，Sc為鐵芯的截面積，μp為鐵芯的脈沖磁導(dǎo)率，ρ 為鐵芯材料的電阻率，d為鐵芯材料的厚度，F(xiàn)為脈沖重復(fù)頻率。

從以上公式可以看出，在給定的匝數(shù)和鐵芯截面積時，脈沖寬度愈大，要求鐵芯材料的磁感應(yīng)強度的變化量ΔB 也越大;在脈沖寬度給定時，提高鐵芯材料的磁感應(yīng)強度變化量ΔB，可以大大減少脈沖變壓器鐵芯的截面積和磁化繞組的匝數(shù)，即可縮小脈沖變壓器的體積。要減小脈沖波形前沿的失真，應(yīng)盡量減小脈沖變壓器的漏電感和分布電容，為此需使脈沖變壓器的繞組匝數(shù)盡可能的少，這就要求使用具有較高脈沖磁導(dǎo)率的材料。為減小頂降，要盡可能的提高初級勵磁電感量Lm，這就要求鐵芯材料具有較高的脈沖磁導(dǎo)率μp。為減小渦流損耗，應(yīng)選用電阻率高、厚度盡量薄的軟磁帶材作為鐵芯材料，尤其是對重復(fù)頻率高、脈沖寬度大的脈沖變壓器更是如此。