一、开关电源用磁芯
1.单端式变换器用磁芯
单端式变换器主要要求磁芯剩余磁感应强度低,即Br/Bs较小。
采用铁基超微晶低剩磁 (Br/Bs≤0.2) 材料的磁芯,饱和磁感应强度 Bm=1.2T,剩磁 Br<0.2T ,初始磁导率 μi>2×104 ,最大磁导率 μm=5×104 ,损耗P0.35(10kHz)<18W/kg 。
这是因为单端式变换器磁芯工作在磁滞回线的第一象限,对材料的要求是具有大的 ΔB(ΔB=Bm - Br),铁基超微晶材料的饱和磁感应强度 Bm=1.2T ,它无论经过怎样的磁场处理,都是不会变的,所以要使 ΔB 增大,只有采用低 Br的磁芯。特别对于单端反激主变压器,要求有足够的饱和磁感应强度 Bm 和合适的磁导率。因为单端反激电路中的主变压器要求储能,线圈储能的多少取决于两个因素:一是材料的工作磁感应强度 Be 或电感量 L;另一个是工作磁场 Hm
或工作电流 I 。储能W=L×I2 ,在一定的电流下,磁芯不能饱和。饱和磁感应强度 Bm由材料决定,低 Br 的磁芯利于恒磁导,使磁芯在一定的电流下不饱和。
2.全桥、半桥、推挽式变换器用磁芯
对于这种双端式变换器主要要求磁芯的饱和磁感应强度Bm高。
虽然铁基非晶材料的饱和磁感应强度Bm高,但是由于铁基非晶材料的工作频率较低 (<15kHz),频率高时,损耗增加,所以对于几百 kHz 以上的逆变电源是不适用的。而采用铁基超微晶中剩磁 (Br/Bs≤0.6)材料的磁芯。饱和磁感应强度 Bm=1.2T ,初始磁导率μi>8×104 ,最大磁导率 μm=45×104。损耗 P0.3(100kHz)<300W/kg ,工作频率高。
因为全桥、半桥、推挽式变换器中的变压器工作在双端,对 Br的要求不是很严格,它需要的是 2×Bm 。但若选用高Br 的磁芯,当电源功率较大时,容易产生饱和现象。为此,对于中、大功率的开关电源,可采用中 Br磁芯,这样还可使变压器有一定的电感量。特别对于谐振电源,一定的变压器电感可充当谐振电感,使全桥、半桥、推挽式电路产生谐振,达到 ZVS 或ZCS 软开关的作用。
但对于有的大功率的开关电源,为防止偏磁,也采用低剩磁 ( 低 Br)磁芯。
二、扼流圈用磁芯
扼流圈用磁芯要求有一定的储能,所以要采用低剩磁,横磁导率的材料。
采用铁基非晶低剩磁(低 Br)材料磁芯,饱和磁感应强度 Bm=1.5T ,剩磁 Br<0.1T,恒磁导率 250 ~ 1200 。
扼流圈是阻止交流成份,只让直流通过的电感元件,所以直流电流和交流电流加在磁芯上时的磁特性,即直流偏磁特性是很重要的。具体地说,电感值应使得直流电流不易让磁芯饱和,而对于交流成分确是足够大的。为此作为材料特性,需要高饱和磁通密度 Bm ,磁导率恒定。
下面就几种材料的特性做一下对比,详见表 1。
表 1 几种材料的特性对比
材料 |
饱和磁感应强度(T) |
磁导率 |
损耗(W/kg) |
铁基非晶扼流圈 |
1.5 |
250~1200 |
P0.05(2kHz)<1.5 |
坡莫合金 |
0.75 |
根据形状和加气隙的不同而不同 |
P0.5(2kHz)<25 |
硅钢片 |
2 |
- |
P1.0(1kHz)<20 |
0.4 |
- |
P1.0(1kHz)<7.5 |
非晶扼流圈与坡莫合金、硅钢片、铁氧体相比可以提高工作频率、增强耐直流电流的能力、高温时仍保持高饱和磁通密度、降低功耗等优点。
三、非晶饱和磁芯
饱和磁芯主要是把磁芯当作一个 “磁开关 ” ,当磁芯不饱和时,电感很大,相当于磁开关断开;当磁芯完全饱和时,电感很小,相当于磁开关短路。
采用钴基非晶合金磁芯,它具有高磁导率,低矫顽力,高矩比 (Bs/Br) ,低损耗等特点。饱和磁感应强度 Bm=0.5 ~ 0.8T ,矫顽力 Hc<2A/m 。
1.自饱和电抗器
自饱和电抗器是希望磁芯做一个反应很快的开关,有一点电流就使磁芯很快饱和。所以应采用高剩磁( 高 Br)材料,初始磁导率μi>5×104 ,最大磁导率μm>25×104,损耗 P0.5(20kHz)<35W/kg。主要用于消除开关电源的二次寄生振荡、消除尖峰等。
2.可饱和电抗器