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高頻電源變壓器磁芯的設(shè)計(jì)原理
高頻電源變壓器磁芯的設(shè)計(jì)原理
摘要：開(kāi)關(guān)電源正向高頻化發(fā)展，作為主變壓器使用的軟磁鐵氧體磁芯，從材料性能、尺寸形狀等均應(yīng)作相應(yīng)改進(jìn)。本文討論了磁芯設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的通過(guò)功率、性能因子、熱阻系數(shù)等參數(shù)，并提出了降低材料高頻損耗的微觀設(shè)計(jì)方法。 1．引言
電子信息產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)高頻開(kāi)關(guān)式電源不斷提出新的要求。據(jù)報(bào)導(dǎo)，全球開(kāi)關(guān)電源市場(chǎng)規(guī)模已超過(guò)100億美元。通信、計(jì)算機(jī)和消費(fèi)電子是開(kāi)關(guān)電源的三大主力市場(chǎng)。龐大的開(kāi)關(guān)電源市場(chǎng)主要由AC/DC和DC/DC開(kāi)關(guān)電源兩部分組成。據(jù)預(yù)測(cè)，AC/DC開(kāi)關(guān)電源全球銷(xiāo)售收入將從1999年的91億美元增加到2004年的122億美元，年平均增長(zhǎng)率為5.9%。低功率的AC/DC（0～300W）將面向增長(zhǎng)平衡的消費(fèi)電子和計(jì)算機(jī)市場(chǎng)；大功率的AC/DC電源（750～1500W）將面向增長(zhǎng)強(qiáng)勁的電信市場(chǎng)。DC/DC電源約占整個(gè)開(kāi)關(guān)電源市場(chǎng)的30%，但計(jì)算機(jī)與通信技術(shù)的快速融合，帶動(dòng)了DC/DC模塊式電源的迅速增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)今后幾年，DC/DC電源模塊增長(zhǎng)速度將超過(guò)AC/DC電源，如有人估計(jì)，中國(guó)今后五年，DC/DC電源模塊市場(chǎng)年增長(zhǎng)將達(dá)15%，增長(zhǎng)主要是在電信部門(mén)。開(kāi)關(guān)式電源技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是高密度、高效率、低噪聲，以及表面貼裝化。無(wú)論是AC/DC或 DC/DC電源，除了功率晶體管外，由軟磁鐵氧體磁芯制成的主變壓器、扼流圈及其它電感器（如抗噪聲濾波器）是極重要的元件，其磁性能和尺寸直接關(guān)系到電源的轉(zhuǎn)換效率和功率密度等。在變壓器設(shè)計(jì)中，主要包括繞組設(shè)計(jì)和磁芯設(shè)計(jì)。本文擬重點(diǎn)討論涉及主要變壓器磁芯設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的通過(guò)功率、性能因子、熱阻等參數(shù)，并對(duì)降低磁芯總損耗提出了材料微觀設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的方法。 2．電源變壓器磁芯性能要求及材料分類(lèi)
為了滿足開(kāi)關(guān)電源提高效率和減小尺寸重量的要求，需要一種高磁通密度和高頻低損耗的變壓器磁芯。雖然有高性能的非晶態(tài)軟磁合金競(jìng)爭(zhēng)，但從性能價(jià)格比考慮，軟磁鐵氧體材料仍是最佳的選擇；特別在100kHz到1MHz的高頻領(lǐng)域，新的低損耗的高頻功率鐵氧體材料，更有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。為了最大程度地利用磁芯，對(duì)于較大功率運(yùn)行條件下的軟磁鐵氧體材料，在高溫工作范圍（如80～100℃），應(yīng)是有以下最主要的磁特性：
（1）高的飽和磁通密度或高的原振幅磁導(dǎo)率。這樣變壓器磁芯在規(guī)定頻率下允許有一個(gè)大的磁通偏移，其結(jié)果可減少匝數(shù)；這也有利于鐵氧體的高頻應(yīng)用，因?yàn)榻刂诡l率正比于飽和磁化。 （2）在工作頻率范圍有低的磁芯總損耗。在給定溫升條件下，低的磁芯損耗將允許有高的通過(guò)功率。
附帶的要求則還有高的居里點(diǎn)，高的電阻率，良好的機(jī)械強(qiáng)度等。
新發(fā)布的“軟磁鐵氧體材料分類(lèi)”行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（等同IEC1332-1995），將高磁通密度應(yīng)用的功率鐵氧體材料分為五類(lèi)，見(jiàn)表1。每類(lèi)鐵氧體材料除了對(duì)振幅磁導(dǎo)率和功率損耗提出要求外，還提出了“性能因子”參數(shù)（該參數(shù)將在下面進(jìn)一步敘述）。從PW1～PW5類(lèi)別，其適用工作頻率是逐步提高的，如PW1材料，適用頻率為15～100kHz，主要應(yīng)用于回掃變壓器磁芯；PW2材料，適用頻率為25～200kHz，主要應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源變壓器磁芯；PW3材料，適用頻率為100～300kHz；PW4材料，適用頻率為300kHz～1MHz；PW5材料，適用頻率為1～3MHz�，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)已能生產(chǎn)相當(dāng)于PW1～PW3材料，PW4材料只能小量試生產(chǎn)，PW5材料尚有待開(kāi)發(fā)。 3．變壓器可傳輸功率
眾所周知，變壓器的可傳輸出功率正比于工作頻率f，最大可允許磁通Bmax，（或可允許磁
能偏移ΔB）和磁路截面積Ae，并表示為：
Pth=CfBmaxAeWd (1)
式中，C棗與開(kāi)關(guān)電源電路工作型式有關(guān)的系數(shù)（如推挽式C=1；正向變換器C=0.71；反向變換器C=0.61）Wd棗繞組設(shè)計(jì)參數(shù)（包含電流密度S，占空因子fcu，繞組截面積AN等）。
表1 功率鐵氧體材料分類(lèi)
注：1）fmax是該類(lèi)材料適用的最高頻率。 2）B是該類(lèi)材料適用的磁通密度。
3）μa100℃的振幅磁導(dǎo)率，B和f見(jiàn)表1。 4）功率損耗在100℃測(cè)量，B和f見(jiàn)表1。 5）是25℃初始磁導(dǎo)率。
這里，我們重點(diǎn)討論（fBmaxAe）參數(shù)（暫不討論繞組設(shè)計(jì)參數(shù)Wd）。增大磁芯尺寸（增大Ae）可提高變壓器通過(guò)功率，但當(dāng)前開(kāi)關(guān)電源的目標(biāo)是在給定通過(guò)功率下要減小尺寸和重量。假定固定溫升，對(duì)一個(gè)給定尺寸的磁芯，通過(guò)功率近似正比于頻率。圖1示出變壓器可傳輸功率Pth與頻率f的關(guān)系。提高開(kāi)關(guān)頻率除了要應(yīng)用快速晶體管以外，還受其它電路影響所限制，如電壓和電流的快速改變，在開(kāi)關(guān)電路中產(chǎn)生擴(kuò)大的諧波譜線，造成無(wú)線電頻率干擾，電源的輻射。對(duì)變壓器磁芯來(lái)說(shuō)，提高工作頻率則要求改進(jìn)高頻磁芯損耗。圖1中N67材料（西門(mén)子公司）比N27材料有更低的磁芯損耗，允許更大的磁通密度偏移ΔB，因而變壓器可傳輸更大的功率。磁芯總損耗PL與工作頻率f及工作磁通B的關(guān)系由下式表示： PL = KfmBnVe(W) （2）
這里，n是steinmetz指數(shù)，對(duì)功率鐵氧體來(lái)說(shuō)，典型值是2.5。指數(shù)m=1～1.3，當(dāng)磁損耗單
純地由磁滯損耗引起時(shí)，m=1; 當(dāng)f=10～100kHz時(shí)，m=1.3, 當(dāng)f>100kHz時(shí)，m將隨頻率增高而增長(zhǎng)，見(jiàn)圖2，這個(gè)額外損耗是由于渦流損耗或剩余損耗引起的。很明顯，對(duì)于高頻運(yùn)行的鐵氧體材料，要努力減小m值。 4．工作磁通密度
變壓器工作磁通密度（可允許磁通密度偏移）受兩方面限制：首先要受磁芯損耗引起的可允許溫升ΔθFe的限制；另一方面，也受鐵氧體材料飽和磁通密度值的限制。
對(duì)單端正向型變換器，工作磁通密度ΔB=Bm-Br；對(duì)推挽式變換器，工作磁通密度ΔB=2Bm。 根據(jù)公式（2），當(dāng)工作磁通密度提高時(shí)，磁芯損耗將以2.5次方比例上升，從而造成變壓器溫升，因此設(shè)計(jì)的工作磁通密度首先受磁芯溫升值限制，其關(guān)系式為：
ΔB=CB
（3）
這里，常數(shù)CB與指數(shù)n是與磁芯材料有關(guān)的系數(shù)；Ve為有效體積；Rth為熱阻。
當(dāng)計(jì)算出的磁通密度值較高時(shí)，ΔB還受磁芯材料可允許磁通密度偏移 ΔBadm（此值與材料高溫下Bs值相對(duì)應(yīng)）所限制。
在這里，必須注意對(duì)不等截面磁芯（如E型磁芯），在最小橫截面Amin處有較高的磁通密度。為避免磁芯飽和，還必須按下式計(jì)算：
ΔB=ΔBadm· (4)
由等式（3）（4）所得到的最小磁感應(yīng)偏移值，即為可允許的變壓器工作磁通密度值。 5．材料性能因子
鐵氧體磁芯制成的變壓器，其通過(guò)功率直接正比于工作頻率f和最大可允許磁通密度Bmax的乘積（見(jiàn)公式1）。很明顯，對(duì)傳輸相同功率來(lái)說(shuō)，高的（fBmax）乘積允許小的磁芯體積；反之，相同磁芯尺寸的變壓器，采用高（fBmax）乘積的鐵氧體材料，可傳輸更大的功率。我們將此乘積稱(chēng)為“性能因子”，這是與鐵氧體材料有關(guān)的參數(shù)，良好的高頻功率鐵氧體顯示出高的（fBmax）值。圖3示出德國(guó)西門(mén)子公司幾種鐵氧體材料性能因子（PF）與頻率關(guān)系，功率損耗密度定為
3
300mW/cm（100℃），可用來(lái)度量可能的通過(guò)功率�？梢钥吹�，經(jīng)改進(jìn)過(guò)的H49i材料在900kHz時(shí)達(dá)到最大的（fBmax）乘積為37000H2T，比原來(lái)生產(chǎn)的H49材料有更高的值，而N59材料則可使用到f=1MHz以上頻率。
改進(jìn)“性能因子”可從降低材料高頻損耗著手，已發(fā)現(xiàn)性能因子最大值的頻率與材料晶粒尺寸d、交流電阻率ρ有關(guān)，考慮到渦流損耗與d2/ρ之間的關(guān)系，兩者結(jié)果是相一致的，見(jiàn)圖4。 6．熱阻
為了得到最佳的功率傳輸，變壓器溫升通常分割為二個(gè)相等的部分：磁芯損耗引起的溫升ΔθFe和銅損引起的溫升ΔθCu。關(guān)于磁芯總損耗與溫升的關(guān)系如圖5所示。對(duì)相同尺寸的磁芯（RM14磁芯），采用不同的鐵氧體材料（熱阻系數(shù)不同），其溫升值是不同的，其中N67材料有
比其它材料更低的熱阻。于是，磁芯溫升與磁芯總損耗的關(guān)系可用下式表示： ΔθFe=Rth·RFe （5）
式中，Rth即為熱阻，定義為每瓦特總消散時(shí)規(guī)定熱點(diǎn)處的溫升（k/W）。鐵氧體材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)，磁芯尺寸及開(kāi)關(guān)對(duì)熱阻有影響，并可用下述經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)表示：
Rth=) (6)
式中，S：磁芯表面積；d:磁芯尺寸；α：表面熱傳導(dǎo)系數(shù)；λ：磁芯內(nèi)部熱傳導(dǎo)系數(shù)。 由上式可見(jiàn)，對(duì)電源變壓器用的鐵氧體材料，必須具有低的功率損耗和高的熱傳導(dǎo)系數(shù)。實(shí)際測(cè)量表明，圖5所示的N67材料顯示高的熱導(dǎo)性。從微觀結(jié)構(gòu)考慮，高的燒結(jié)密度，均勻的晶粒結(jié)構(gòu)，以及晶界里有足夠的Ca濃度，將是有高的熱導(dǎo)性。從磁芯尺寸形狀考慮，較大磁芯尺寸給出低的熱阻，其中ETD磁芯具有優(yōu)良的熱阻特性，見(jiàn)圖6；另外無(wú)中心孔的RM磁芯（RM14A）顯示出比有中心孔磁芯（RM14B）更低的熱阻。
對(duì)高頻電源變壓器磁芯，磁芯設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量增加暴露表面，如擴(kuò)大背部和外翼，或制成寬而薄的形狀（如低矮形RM磁芯，PQ型磁芯等），，均可降低熱阻提高通過(guò)功率。 7．磁芯總損耗
軟磁鐵氧體磁芯總損耗通常細(xì)分為三種類(lèi)型：磁滯損耗Ph、渦流損耗Pe和剩余損耗Pr。每種損耗貢獻(xiàn)的頻率范圍是不同的，磁滯損耗正比于直流磁滯回線的面積，并與頻率成線性關(guān)系，即 Ph=f∮BdH （7）
這里，∮BdH等于最大磁通B下測(cè)得的直流磁滯回線的等值能。對(duì)于工作在頻率100khz以下的功率鐵氧體磁芯，降低磁滯損耗是最重要的。為獲得低損耗，要選擇鐵氧體成分具有最小矯頑力Hc和最小各向異性常數(shù)K，理想情況是各向異性補(bǔ)償點(diǎn)（即K≈0）位于變壓器工作溫度（約80～100℃）。另外，此成分應(yīng)有低的磁致伸縮常數(shù)λ，工藝上要避免內(nèi)外應(yīng)力和夾雜物。采用大而均勻晶粒是有利的，因?yàn)镠c∞D(zhuǎn)-1(D是晶粒尺寸)。
關(guān)于渦流損耗Pe可用下式表示： Pe=Cef2B2/ρ （8）
這里，Ce是尺寸常數(shù)，ρ是在測(cè)量頻率f時(shí)的電阻率。
隨著開(kāi)關(guān)電源小型化和工作頻率的提高，由于Pe∞f2，因而降低渦流損耗對(duì)高頻電源變壓器更為重要。隨著頻率提高，渦流損耗在總損耗中所占比例逐步增大，當(dāng)工作頻率達(dá)200～500kHz時(shí)，渦流損耗常常已占支配地位。從圖7所示R2KB1材料磁芯總損耗（包括磁滯和渦流損耗）與頻率關(guān)系實(shí)測(cè)曲線，可得到證明。減小渦流損耗主要是提高多晶鐵氧體的電阻率。從材料微觀結(jié)構(gòu)考慮，應(yīng)用均勻的小晶粒，以及同電阻的晶界和晶粒；因?yàn)樾【Я＞哂凶畲缶Ы绫砻娑龃箅娮杪�，而附加CaO+SiO2，或者Nb2O5、ZrO2和Ta2O5勻?qū)υ龈唠娮杪视幸妗?/p>
最近發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電源變壓器磁芯工作達(dá)MHz頻段時(shí)，剩余損耗已占支配地位，采用細(xì)晶粒鐵氧體已成功地縮小了此損耗的貢獻(xiàn)。對(duì)MnZn鐵氧體來(lái)說(shuō)，在MHz頻率出現(xiàn)鐵磁諧振，形成了鐵氧體的損耗。最近有人提出，當(dāng)鐵氧體的磁導(dǎo)率μi隨晶粒尺寸減小而降低時(shí)，Snoek定律仍是有效的，也就是說(shuō)，細(xì)晶粒材料顯示出高的諧振頻率，因此可用于更高頻率。另外，對(duì)晶粒尺寸減小到納米級(jí)的鐵氧體材料研究表明，在此頻段還應(yīng)考慮晶粒內(nèi)疇壁損耗。
圖1 ETD磁性可傳輸功率Pth與頻率關(guān)
系
(Siemens)-N67......N27
圖2 磁損與頻率關(guān)系
圖3 材料性能因子與頻率關(guān)系
(Siemens)
(100°C,功耗300mW/cm3
)
圖4 性能因子最大值頻率與d2/ρ
之間關(guān)系
熱平衡時(shí)總損耗PL(W)
圖5 不同鐵氧體材料的RM14磁芯溫
圖6 不同磁芯形狀、尺寸、重量
升與功率損耗關(guān)系(Siemens) (環(huán)境
與變壓器熱阻關(guān)系
溫度23°C)
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