高頻電源變壓器磁芯的設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)方法說(shuō)明

　　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。

　　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。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。

　　電源變壓器磁芯性能要求及材料分類

　　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”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，見(jiàn)表1。每類鐵氧體材料除了對(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)。