开关电源变压器设计中磁芯性能要求及材料分类

在进行开关电源变压器设计时，要考虑好磁芯的性能要求与选用什么材质的磁芯，今天就为大家总结分析有关的这方面。

为了满足开关电源的要求，提高工作效率，减小体积和重量，需要一个高磁通密度、高频率、低损耗的变压器铁心。虽然是一个高性能的非晶态软磁合金竞争，但从 性能价格比考虑，软磁铁氧体材料仍然是最好的选择；特别在100千赫至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，对于功率较大的软磁铁氧体材料，在高温工作范围（如100度80摄氏度），应具有以下最重要的磁特性：

1）高饱和磁通密度或高振幅磁导率。因此，在指定频率下，变压器的磁芯上设置有一个大的磁通偏差，并且其结果可以被减小，这也有利于高频率的铁素体的应用，因为截止频率是成正比的饱和磁通密度。

2）在工作频率范围内的磁芯的总损耗。在一个给定的温度上升，低磁芯损耗将允许一个高的通电。

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“软磁铁氧体材料的分类”行业标准（相当于iec61332:1995），高磁通密度应用的功率铁氧体材料分为五类，见表1。除了要求的振幅磁导 率和功率损耗的每一种类型的铁素体材料，“性能因子”参数（此参数将以下描述）也被提出。从1 ~ PW5类别及其应用工作频率逐渐提高，如PW1材料的15 ~ 100kHz频率的应用，其主要应用于反激式变压器铁芯；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100 ~ 300kHz；对于频率300kHz的~ 1MHz pw4材料；对频率PW5材料是1 ~ 3MHz。现在国内已能生产1 ~ PW3材料等效pw4材料，只有一小部分的PW5材料试生产要发展

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）。

在这里，我们重点关注（fbmaxae）参数（不讨论绕组WD设计参数）。增大磁芯的大小可以提高变压器的功率，但目前的开关电源的目标是减小电源的体积 和重量。假定的固定温度上升，对于一个给定的磁芯的大小，通过功率近似成正比。图1显示了传输功率的PTH和变压器的频率f的关系。提高开关频率，除了适 用于快速晶体管，而且还通过其他电路的限制，如在电压和电流变化的速度，在开关电路产生的谐波频谱产生放大，由射频干扰，辐射功率引起的。为了提高变压器 铁心的工作频率，要求提高高频磁芯损耗。图1 N67材料（西门子）比N27材料具有较低的磁芯损耗和允许更大的磁通密度偏移ΔB，因为可以传输更多的电力变压器。图2显示了磁芯损耗与频率之间的关 系。通过以下公式表示的磁芯的发光和工作频率和工作磁通密度的总损耗之间的关系：

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。

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。

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