新的电源铁氧体磁心及其应用

表示：

Pc=kfmBn(1)

式中，k—常数；f—频率；B—工作磁通密度；

　　n—指数，对于功率铁氧体材料，典型值为2.5；

　　m—指数，在f=10～100kHz时，应考虑涡流损耗，此时m=1.3，当频率提高到100kHz上时，m要增大。

　　由上式可见，提高工作磁通密度，磁心损耗将以2.5次方增加，引起变压器升温；因此变压器设计时，磁心损耗限制值也限定了最高工作磁通密度。同时，提高开关频率，磁心损耗也要相应增加。所以在进行变压器设计时，磁心损耗200mW/cm3是一个适宜的限制值[3]。在规定的磁心损耗下，提高工作频率，必须相应降低工作磁通密度值。图1示出飞利浦公司的三种铁氧体材料，规定磁心损耗为200mW/cm3时磁感应强度与频率的关系曲线。对材料B、C来说，当开关频率为100kHz时，可允许的工作磁通密度为100mT；当频率提高到500kHz时，可允许的工作磁通密度将降低到50mT以下。改进铁氧体材料（如采用A材料），可提高高额下允许的工作磁通密度极限。因此，Stijntjen[3]提出了一个新的设计参数—材料因子PF200，作为变压器允许功率的设计限制因子。这里的PF200定义为磁心材料损耗为200mW/cm3时的工作频率f和工作磁通密度的乘积。

图1三种材料在200mV/cm3功耗值时磁感应强度

　　图2是几种铁氧体材料性能因子PF200与频率的关系，图中3C85、3F3、3F4均为MnZn铁氧体，而4F1是NiZn铁氧体。可见，当开关频率提高到1MHz以上时，NiZn铁氧体可能显示出更为优越的性能。

图2功率铁氧体材料性能因子

（2）磁心尺寸考虑众所周知，磁心有效截面积和窗口面积将直接影响变压器的传输功率。德国西门子公司列出了变压器最大传输功率P的表达式：

　　P=Cf△BJFcuSaSe(2)

式中，C—与变换器工作方式有关的常数，如推挽式C=1；单端正激式，C=0.71；单端反激式，C=0.61。

　　J——电流密度。Fcu——铜占因子。

　　Sa——窗口面积。Se——磁心有效载面积。

　　在西门子公司产品目录中，已列出最大传输功率与磁心尺寸的关系曲线，图3是一个实例。该图表明100～200kHz工作频率的单端正激型变换器，各种磁心尺寸与最大传输功率的关系。对一定尺寸的磁心来说，提高工作频率，可相应地提高传输功率。

如采用ETD39磁心，在100kHz时可传输功率400W，而200kHz时传输功率可提高到600W。

（3）磁心形状考虑功率变压器磁心形状应考虑大电流引出线及容易散热，对高频变压器还应考虑屏蔽，防止杂散磁场干扰。关于磁心损耗（Pc）与温升的关系，可用下式表示：

　　Pc=△T/Rth(2)

式中，△T—磁心温升；

Rth—热阻。

降低热阻可提高磁心的功率承受能力；而热阻又近似地与磁心表面积成反比。因此在磁心形状设计中加大背部或外翼尺寸，将它变宽变薄，使暴露的铁氧体面积增大，可以降低热阻。

早期，电源变压器使用的磁心形状为EE或EI形，这类磁心制造工艺简单，成本较低，散热好，便于大电流引出；缺点是方形中心柱，给线圈绕制带来不便。现在，主要使用EC或ETD铁氧体磁心，这类磁心中心柱改为园形，由于园形绕组线长比方形绕组缩短11％，从而降低了线圈铜损。为了适应高频电源变压器的发展，最近国际标准已扩展了ETD磁心尺寸系列（由四种扩展为九种），具体尺寸为ETD19、24、29、34、39、44、49、54、59。一种新的PQ型磁心，因为背部面积较大，更有利于散热，最近在电源变压器方面已获得应用。此外，PM或RM型磁心，也可用于高频变换器，因为这种磁心有良好的屏蔽和大的出线槽口，有人指出，EE42磁心杂散磁场要比RM型磁心高5倍。对高于1MHz的谐振式变压器，为了使热阻最小，需要一种具有最大暴露表面的扁薄形磁心形状，已有报道采用LP23/8磁心〖4〗，制成最高工作频率1MHz的低漏感的100W功率变压器。