平面变压器设计技术99问(上)(3)

2025-09-22

未利用其漏感的情形下对磁芯加气隙以防止磁通不平衡并不是非常合适的选择, 它不如通过在初级回路串联一个隔直电容来得有效.解决磁通不平衡最有效的方法是在二次侧整流电流平衡的条件下采用电流模式控制. 23、有哪些办法能够减少气隙的不良影响?

答:1、比较常用的方法就是把一个气隙变成两个或是三个更小的气隙,这样就可以保留气隙的优点,减小气隙带来的缺陷。但是这会造成气隙加工复杂化,成本增加。而且过度的二次加工对性质硬脆的磁材可能带来机械伤害,使磁材容易断裂。

2、再一个方法就是不开气隙,采用一种耦合度可改变的阵列式集成磁件,它是利用两个小一些的磁芯组成所谓的阵列式磁件,初级和次级绕组在这两个磁芯上采用新型绕法而得到的。实际对比测试结果表明:在绕组匝数相同、磁件体积及耦合度基本相同的情况下:1)阵列式集成磁件的电感量大于传统E型磁芯;2)阵列式集成磁件的绕组损耗、磁芯热损耗均小于传统E型磁芯,其各方面的技术参数均优于传统E型磁芯采用加气隙方法获得的电气指标。

3、另一个方法是可以开气隙,但是需要在磁芯气隙的旁边再加装一种特殊磁芯形成新型变压器结构。这种方法因为设计参数比较多,应用上还不是很成熟。

4、寻找新型的铁氧体磁芯,这种磁芯因为具有多孔结构,本身就有气隙的特征,不开气隙或是少开气隙就拥有了气隙的优点。 24、目前在使用的功率铁氧体磁芯有哪些?

答:目前在使用中的功率铁氧体磁材主要是两种:锰锌铁氧体和镍锌铁氧体,锰锌铁氧体大约占65%,占主流,镍锌铁氧体约占30%。其它还有镁锌铁氧体等等。 25、两种功率铁氧体材料的性能对比

答:在功率铁氧体材料方面,目前普遍使用的是两种:即锰锌铁氧体和镍锌铁氧体材料,它们都属于容易磁化和退磁的软磁材料。他们各有特点,我们粗略的做对比如下: a) 锰锌铁氧体: 原材料价格低,有些人称它为半导体铁氧体。

镍锌铁氧体: 镍是一种稀缺金属,这种原材料价格高,有些人称它为电介质铁氧体。

b) 锰锌铁氧体: 通常工作在1MHz 下,具有较高的磁导率。

镍锌铁氧体: 通常工作在1MHz 以上,甚至可达300MHz,以前主要应用于有线电视系统的元器件及EMI器件制造,现在的磁导率已经和锰锌材料能够媲美。 c) 锰锌铁氧体: 电阻率低,一般只有0.1~20Ωm,Q值较低。 镍锌铁氧体: 电阻率高,一般都在103~105Ωm,Q值较高。 d) 两种材料电阻率与工作频率的关系如下:

频率(MHz) 0.1 1 10 100 锰锌电阻率(Ωm) ≈2 ≈0.5 ≈0.1 ≈0.01 镍锌电阻率(Ωm) ≈105 ≈5*104 ≈104 ≈103

e) 锰锌铁氧体: 加工制备的工艺过程比较复杂,烧结温度高,1400℃甚至1600℃烧结过程中需要有气体保护,必须在钟罩式气氛炉中烧结。

镍锌铁氧体: 加工制备的工艺过程简单,高温时NiO的物理性能非常稳定,烧结过程中不需要气体进行保护,烧结温度一般在1100℃即可,节省能源。

f) 由于两种磁材的材料及内部微细结构的差别,锰锌铁氧体一般要求工作在100℃左右,不宜太高,而镍锌铁氧体可以工作在200℃以上,它们各自烧结的过程就明显的说明了这一点。

g) 锰锌铁氧体:肉眼识别时,不涂漆的表面较平滑,结构比较紧密,不易掉粉,颜色深显黑色。用电阻表在其表面任两点测试时,用最大的10K档测,阻值在150K以下的就是锰锌铁氧体。

镍锌铁氧体:肉眼识别时,不涂漆的表面比较粗糙,晶粒细而小,呈多孔结构,颜色发灰或是呈棕色。用电阻表在其表面任两点测试时,用最大的10K档测,阻值相当大表针基本不动的就是镍锌铁氧体。测试时都可以采取一些辅助的技术措施,比如:用砂纸擦去磁芯表面的涂层;或是用软B铅笔在它们表面涂抹出两个测试点等等。 h) 二者的共同点:在软磁铁氧体中存在粘结剂,与磁粉芯类似的原因,饱和过程是缓慢的。磁化曲线与温度的关系,在100℃时,饱和磁感应强度由常温(25℃)的0.42T 下降到0.34T。因此,在选择磁芯时应考虑这一因素。 26、从对比中我们可以得出何结论?

答:1)软磁铁氧体磁芯损耗通常细分为三种类型:磁滞损耗Ph、涡流损耗Pe、剩余损耗Pr,每种损耗在频率范围的表现上是不一样的。磁滞损耗正比于直流磁滞回线的面积,并与频率成线性关系,对于工作在频率100KHz以下的功率铁氧体磁芯,降低磁滞损耗是最重要的。随着开关电源小型化和工作频率的不断提高,涡流损耗这个时候就成了变压器最重要、最致命的影响因素了。当工作频率达200K~500KHz的时候,涡流损耗的影响绝对占了支配地位,对涡流损耗起作用的关键因素就是磁材的电阻率。磁材的电阻率越高,带来的涡流损耗就越小。越小的涡流损耗就意味着效率高、整机的功率损耗小、发热量小。镍锌铁氧体比锰锌铁氧体电阻率要高3~8个数量级。 2)镍锌铁氧体具有多孔结构,这正是我们迫切需要的。

3)镍锌铁氧体的居里温度点高得多,这对功率铁氧体的正常工作关系重大。 4)镍锌铁氧体的烧结工艺简单,不需要气氛保护,烧结温度相对较低,通过适当的离子替代和掺杂改性后可与LTCC(低温共烧陶瓷)工艺兼容。LTCC是未来电子器件制造的最好方法。

5)通过改变配方及制备工艺的更加精细,镍锌铁氧体材料也完全可以获得高的磁导率和比锰锌铁氧体高得多的Q值。 27、为什么说镍锌铁氧体材料更优秀?

答:功率铁氧体又称电源铁氧体,是一种高Bs低损耗的材料,其主要特点是在高频(几

百KHz)、高磁感应强度(几百mT)的条件下,仍能保持很低的功耗,而且其功耗随磁芯的温升反而下降,具有负的温度特性,在300℃时达到最低点从而可以形成很好的良性循环,这一点实难可贵。功率铁氧体的主要用途是以各种开关电源、变压器和彩电回扫变压器为代表的功率型电感器件,用途十分广泛。开发具有更高工作频率和更低功率损耗的锰锌铁氧体材料已经不太可行,这是由于锰锌铁氧体磁材本身太低的电阻率缺陷造成的,这就使得锰锌铁氧体器件在高频领域实际上已经失去了用武之地。锰锌铁氧体磁材只能应用于1MHz以下的频带,频率再高,就必须使用镍锌铁氧体磁材。镍锌铁氧体磁材以其优良的高频特性、极高的电阻率、极低的损耗角tgδ、零温度或是负温度特性及产品结构具有多孔特点等等,其性能大大优于锰锌铁氧体,所以非常适宜在高频系统中使用,另外高温时NiO是很稳定的氧化物,它可以在空气或是氧气中烧结,制备工艺比锰锌铁氧体简单并节能。 28、镍锌铁氧体在电感器件小型化方面的作用

答:功率铁氧体电感器件广泛应用于工业、民用及军事等各个领域的电子设备中。表面贴装技术(SMT)在电子整机制造技术中得以大力普及,也促使功率电感器件不断向小型化、片式化方向发展,传统的锰锌功率铁氧体材料已经不能适应这种发展趋势的要求,即将面临被淘汰。根据功率铁氧体器件的工作要求,为了缩小体积,必须提高它的使用频率和磁饱和感应强度。而锰锌铁氧体的电阻率很低,其高频的涡流损耗就很大,限制了它在高频领域的应用。由于它的电阻率很低,绕线时必须要在锰锌铁氧体磁芯上添加绕组骨架,而不能把漆包线直接绕制在磁芯上。在平面变压器中,PCB板也是不能直接平铺在锰锌铁氧体的磁芯上,这些都不利于功率铁氧体电感器件的小型化。此外,采用锰锌铁氧体材料制备的功率器件在进行组装时,相互之间必须要保持一定的距离以防止出现“爬电”现象,这也与电子器件高密度组装的发展趋势不相适合。所以,发展新一代适合高密度表面贴装的功率铁氧体材料意义十分重要。由于镍锌铁氧体磁材具有比锰锌铁氧体高得多(至少高3~8个数量级以上)的电阻率,不仅在高频的涡流损耗很小,而且因为配方和制备技术的改进镍锌铁氧体同样可以获得很高的磁导率以及饱和磁感应强度,因此成为了锰锌铁氧体功率电感器件的最佳替代品。它不仅在耐压方面优于锰锌材料,因为它可采用无骨架结构,就大大减小了器件本身的体积和成本,在密集组装时又能很好的避免出现“爬电”现象,特别适宜于表面贴装技术的应用,是电源以及仪器仪表实现小型化的有力保证。 29、软磁铁氧体有行业标准吗?

答:有。我国发布的“软磁铁氧体材料分类”的行业标准,把功率铁氧体材料分成为PW1~PW5五类,即工作频率为15KHz~100KHz的是PW1材料;工作频率为25KHz~200KHz的是PW2材料;工作频率为100KHz~300KHz的是PW3材料;工作频率为300KHz~1000KHz的是PW4材料;工作频率为1MHz~3MHz的是PW5材料。目前国内企业已经能生产相当于PW1~PW3类的软磁材料,能小批量生产应用于100KHz~500KHz的功率铁氧体材料,

PW4材料只有部分企业小批量在试生产,个别单位研制出了应用于500KHz~1000KHz的新型功率铁氧体材料,新的PW5电源材料基本上未着手研究。与国外相比,国内的功率铁氧体材料仍存在着相当大的差距。其它技术指标见下图。 图五:功率铁氧体材料分类的行业标准(等同IEC1332-1995):

1) fmax是该类材料适用的最高频率。 2) B:是该类材料适用的磁通密度。 3) 100℃时的μa的振幅磁导率。 4) 功率损耗在100℃测量得到的值。 5) 是25℃的初始磁导率。 30、什么是电感的Q值?

答:电感 的Q值又叫做电感的品质因数,这是一个电学和磁学上的量。表征一个储能器件(如电感线圈、电容等)、谐振电路所储能量与每周期损耗能量之比的一种质量指标。元件的Q值越大,用该元件组成的电路或是网络的选择性越佳。电抗元件的Q值等于它的电抗同等效串联电阻的比值。

对于无辐射系统,,如 Z=R+Jx,则Q=│X│/R

Q值是用来衡量电感器件的主要参数,是指电感器在某一频率的交流电压下工作时,所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比。电感器的Q值越高,表明它的损耗越小,效率越高。

31、什么是磁芯的居里温度点?

答:居里温度点是材料失去磁特性的温度点。超过居里温度点时,电路中的磁芯就会失效。磁介质大体可以分为顺磁质、抗磁质和铁磁质三类。以铁为代表的一类磁性很强的物质叫铁磁质。当铁磁质的磁化达到饱和之后,如果将磁化场去掉,即H=0,介质的磁化状态,并不恢复到原来的起点,而是保留一定的磁性。这时的磁场强度H和磁感应强度B叫做剩余磁场强度和剩余磁感应强度。通常用HR和BR来表示。若要使介质的磁场强度和磁感应强度减到0,必须加一相反方向的磁化场,即H<0。只有当反方向的磁化场大到一定程度时,介质才完全退磁,即达到H=0,B=0的状态。使介质完全退磁所需的反向磁化场的大小,叫做这种铁磁质的矫顽力。

铁磁性是与磁畴分不开的。当铁磁体受到强烈震动或在高温下由于剧烈的热运动的影响,磁畴便会瓦解,这时铁磁性质全部消失,包括磁滞现象,即磁滞回线也消失。对于任何铁磁物质都有这样一个临界温度,高于这个温度的铁磁性就消失,变为顺磁性。这个临界温度叫做铁磁质的居里点,也叫居里温度点。 32、什么叫电感的耦合系数?

答:耦合系数是用来描述两个线圈之间相互耦合的紧密程度。是用耦合系数K表征: 0≤K≤1

K的大小取决于两个线圈的位臵与取向, K=1 称为全耦合;

K近似于1时称为紧耦合; K值较小时称为松耦合;

K=0时称为无耦合,即是两个独立的电感元件。 33、理想变压器的标准是什么?

答:1)理想变压器的六个条件:

理想变压器属多端元件可以看作为互感多端元件,是在满足下述6个理想条件极限演变而来的。 

条件1:耦合系数k =1, 即全耦合。

条件2:自感系数L1、L2无穷大但L1/L2等于常数。也为无穷大。此条件可简说为参数无穷大。

条件3: 磁芯无损耗,变压器无温升。

条件4:初次级线圈的电阻为零,因而初次级回路无铜阻压降,无功率损耗

条件5:磁芯的磁导率很大,因而初次级之间无漏磁,即初级产生的磁通全部穿过


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