开关电源中的磁性元件

开关电源中的磁性元件
第一章 磁的基本概念………………………………………………………………………1
1.1 磁的基本现象 …………………………………………………………………………………1
1.2 电流与磁场……………………………………………… … ………………………………… 1
1.3 磁的单位和电磁基本定律………………………………………………………………… 2
1.3.1 磁感应强度(B-磁通密度) ……………………………………………………………………3
1.3.2 磁通……………………………………………………………………………………………3
1.3.3 磁导率μ和磁场强度H ………………………………………………………………………3
1.3.4 安培环路定律 ………………………………………………………………………………… 4
1.3.5 电磁感应定律 ………………………………………………………………………………… 5
1.3.6 电磁能量关系 …………………………………………………………………………………6
本章要点 7
第二章 电路中的磁性元件…………………………………………………………………8
2.1 自感 ……………………………………………………………………………………………8
2.2 互感 ……………………………………………………………………………………………8
2.2.1 线圈之间的互感 ………………………………………………………………………………9
2.2.2 互感系数………………………………………………………………………………………9
2.2.3 互感电动势……………………………………………………………………………………9
2.2.4 互感电路………………………………………………………………………………………10
2.3 变压器…………………………………………………………………………………………12
2.3.1 变压器空载……………………………………………………………………………………13
2.3.2 变压器负载状态………………………………………………………………………………13
2.3.3 变压器等效电路………………………………………………………………………………14
本章要点…………………………………………………………………………………………15
第三章 磁路和电感计算 ………………………………………………………………… 17
3.1 磁路的概念 ……………………………… …………………………………………………17
3.2 磁路的欧姆定律 ……………………………………………………………………………17
3.3 磁芯磁场和磁路 ……………………………………………………………………………19
3.3.1 无气隙磁芯磁场 ………………………………………………………………………………19
3.3.2 E 型磁芯磁场和等效磁路……………………………………………………………………21
3.3.3 气隙磁导的计算 ………………………………………………………………………………23
3.4 电感计算 ………………………………………………………………………………………27
3.4.1 导线和无磁芯线圈的电感计算－经验公式…………………………………………………28
3.4.2 磁芯电感………………………………………………………………………………………33
本章要点……………………………………………………………………………………………35
第四章 软磁材料………………………………………………………………………………36
4.1 磁性材料的磁化………………………………………………………………………………36
4.2 磁材料的磁化曲线……………………………………………………………………………36
4.2.1 磁性物质磁化过程和初始磁化曲线 …… ……………………………………………………36
4.2.2 饱和磁滞回线和基本参数……………………………………………………………………37
4.3 磁芯损耗………………………………………………………………………………………384.3.1 磁化能量和磁滞损耗Ph………………………………………………………………………38
4.3.2 涡流损耗Pe ……………………………………………………………………………………39
4.3.3 剩余损耗Pc ……………………………………………………………………………………40
4.4 磁化曲线的测量和显示……………………………………………………………………… 41
4.4.1 测试原理和电路 ……………………………………………………………………………… 41
4.4.2 磁化曲线的显示 …………… … … … … …………………………………………………… 42
4.5 相对磁导率μr……………………………………………………………………………………43
4.5.1 最大磁导率μm…………………………………………………………………………………43
4.5.2 初始磁导率μI …………………………………………………………………………………43
4.5.3 增量磁导率μΔ………………………………………………………………………………… 43
4.5.4 有效磁导率μe…………………………………………………………………………………44
4.5.5 幅值磁导率μ
a …………………………………………………………………………………44
4.6 常用软磁材料 ………………………………………………………………………………… 46
4.6.1 对软磁材料的要求 …………………………………………………………………………… 46
4.6.2 合金磁材料 ……………………………………………………………………………………46
4.6.3 磁粉芯…………………………………………………………………………………………51
4.6.4 软磁铁氧体材料 ……………………………………………………………………………… 52
4.7 软磁材料的选用原则 ……………………………………………………………………………56
本章要点 ……………………………………………………………………………………………56
第五章 变换器中磁芯的工作要求……………………………………………………………58
5.1 Ⅰ类工作状态－Buck 变换器滤波电感磁芯 ……………………………………………………58
5.2 Ⅱ类工作状态－正激变换器变压器 …………………………………………………………… 60
5.3 Ⅲ类工作状态－推挽型变换器中变压器 …………………………………………………… 62
5.3.1 输出交流时逆变器中的变压器 ………………………………………………………………63
5.3.2 SPWM交流输出滤波电感 ………………………………………………………………… 65
5.3.3 直流输出时变压器的工作状态 ……………………………………………………………… 66
5.4 准Ⅲ工作状态－磁放大器磁芯工作状态………………………………………………………68
5.4.1 磁放大器原理 …………………………………………………………………………………68
5.4.2 实际应用举例 …………………………………………………………………………………69
本章要点 ………………………………………………………………………………………70
第六章 线圈 ………………………………………………………………………………………71
6.1 集肤效应…………………………………………………………………………………………71
6.2 线圈磁场和邻近效应…………………………………………………………………………73
6.3 变压器线圈的漏感……………………………………………………………………………74
6.3.1 典型变压器磁芯的漏感分析…………………………………………………………………74
6.3.2 其他结构的漏磁……………………………………………………………………………… 76
6.3.3 减少漏磁的主要方法－线圈交错绕…………………………………………………………76
6.4 邻近效应对多层线圈影响………………………………………………………………………76
6.4.1 多层线圈………………………………………………………………………………………77
6.4.2 线圈的并联……………………………………………………………………………………80
6.4.3 无源损耗………………………………………………………………………………………81
6.5 线圈结构…………………………………………………………………………………………82
6.5.1 绝缘、热阻和电流密度………………………………………………………………………82
6.5.2 计算有效值电流 ………………………………………………………………………………85
6.5.3 窗口充填系数kw ………………………………………………………………………………86
6.5.4 电路拓扑………………………………………………………………………………………876.6 线圈间电容和端部电容…………………………………………………………………………87
本章要点………………………………………………………………………………………89
第七章 功率变压器设计 ………………………………………………………………………90
7.1 变压器设计一般问题……………………………………………………………………………90
7.1.1 变压器功能……………………………………………………………………………………90
7.1.2 变压器的寄生参数及其影响 …………………………………………………………………90
7.1.3 温升和损耗 ……………………………………………………………………………………99
7.1.4 充填系数………………………………………………………………………………………92
7.1.5 电路拓扑………………………………………………………………………………………92
7.1.6 频率……………………………………………………………………………………………92
7.1.7 占空度………………………………………………………………………………………93
7.1.8 匝数和匝比选取………………………………………………………………………………94
7.1.9 磁通偏移………………………………………………………………………………………96
7.1.10 磁芯选择……………………………………………………………………………………97
7.2 变压器设计基本步骤………………………………………………………………………101
第八章 电感和反激变压器设计……………………………………………………………106
8.1 应用场合 ………………………………………………………………………………………106
8.1.1 输出滤波电感(Buck)…………………………………………………………………………106
8.1.2 Boost 和Boost/Buck 电感 ……………………………………………………………………107
8.1.3 反激变压器…………………………………………………………………………………108
8.1.4 耦合滤波电感………………………………………………………………………………109
8.2 损耗和温升……………………………………………………………………………………111
8.3 磁芯……………………………………………………………………………………………111
8.3.1 磁芯气隙……………………………… …… ………………………………………………111
8.3.2 散磁引起的损耗……………………… … … ………………………………………………112
8.3.3 扩大电感磁通摆幅…………………… … … ………………………………………………113
8.3.4 磁芯材料和形状………………………………………………………………………………114
8.3.5 决定磁芯尺寸……………………………… … … … ………………………………………114
8.4 电感计算………………………………………………………………………………………115
8.4.1 气隙磁芯电感………………………………………………………………………………116
8.4.2 磁粉芯和恒导磁芯电感……………………………………………………………………116
8.4.3 利用电感系数AL 计算电感…………………………………………………………………116
8.5 电感设计………………………………………………………………………………………116
8.5.1 设计步骤……………………………………………………………………………………116
8.5.2 举例－Buck 输出滤波电感…………………………………………………………………118
8.5.3 反激变压器电感设计…………………………… …………………………………………120
第九章 特殊磁性元件…………………………………………………………………………129
9.1 电流互感器……………………………………………………………………………………129
9.1.1 交流互感器…………………………………………………………………………………129
9.1.2 脉冲直流互感器………………………………………………………………………………132
9.2 磁调节器和尖峰抑制器设计…………………………………………………………………135
9.2.1 矩形磁芯基本特性……………………………………………………………………………135
9.2.2 磁放大器设计…………………………………………………………………………………136
9.2.3 噪声抑制磁芯…………………………………………………………………………………138
第十章 附录………………………………………………………………………………………14110.1 单位制和转换关系……………………………………………………………………………141
10.2 导线数据………………………………………………………………………………………142
10.2.1 漆包线规格、绝缘和耐压…………………………………………………………………142
10.2.2 英制导线规格及公制转换…………………………………………………………………143
10.2.3 电工铜带……………………………………………………………………………………144
10.3 铁氧体………………………………… … … … ……………………………………………145
10.3.1 国产铁氧体材料特性………………… … …………………………………………………145
10.3.2 铁氧体尺寸规格……………………………………………………………………………145
10.3.3 国内外铁氧体材料对照……………………………………………………………………156
10.4 磁粉芯………………………………………………………………………………………156
10.4.1 磁粉芯的主要性能和规格…………… ……………………………………………………156
10.4.2 磁粉芯电感估算……………………………………………………………………………156
10.4.3 国内外磁粉芯规格…………………………………………………………………………157
10.5 矩形磁滞回线磁芯……………………………………………………………………………158
10.5.1 非晶合金……………………………………………………………………………………158
10.5.2 噪声抑制器件………………………………………………………………………………159
10.5.3 矩形磁滞回线铁氧体磁芯…………………………………………………………………159
10.6 绝缘 …………………………………………………………………………………………159
10.6.1 线圈端部处理 －留边距离Z、端空距离d…… … … ……………………………………160
10.6.2 内层绝缘(线圈骨架到磁芯)、绕组间绝缘 ………………………………………………160
10.6.3 线圈的裹覆、端封和灌注方式的选择……………………………………………………161
10.6.4 出头绝缘距离………………………………………………………………………………161
10.6.5 工艺…………………………… … …………………………………………………………161
10.7 磁性元件相关标准……………………………………………………………………………162
10.7.1 国家标准 ……………………………………………………………………………………162
10.7.2 部分国际标准………………………………………………………………………………164

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