Thus at higher frequencies (above 50kHz) peak flux density have to be reduced, by increasing the number of the transformer primary turns to keep the transformer temperature rise acceptably low.
磁元件设计共性问题
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电感和变压器设计
二. 铁芯材料的选择(铁耗(体电阻和磁滞回线)) 1. 根据工作频率高低来确定材料
分类 材料名称 相对导磁率 磁通密度(T) 频率(kHz)
金属铁芯
硅钢片(Si-Fe) 坡莫合金(Ni-Fe) 钴铁合金(Co-Fe)、 非晶或超微晶合金(Fe \ Co)
~1800 ~20,000 ~800 ~100,000
电感和变压器设计的共性问题
磁元件设计共性问题
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电感和变压器设计
电感器(Inductor) 变压器(Transformer)
L
NP
NS
磁元件设计共性问题
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电感和变压器设计
Low profile transformer on PCB
磁元件设计共性问题
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电感和变压器设计
DC/DC Converter with Integrated PCB Magnetics
A. 导体的厚度或(直径)为d (mm，毫米)
B. 导体允许的电流密度 j (A/ [mm]2, 安培 / 平方毫米)
磁元件设计共性问题
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电感和变压器设计
二. 铁芯材料的选择(铁耗(涡流损耗和磁滞损耗))
铁芯的选择要考虑三个因素: (1) 工作频率, (2) 磁化方式(单边磁化还是双边磁化), (3) 价格
磁元件设计共性问题
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电感和变压器设计
我们知道—— 电感要求的是: 电感量 L 变压器要求的是: 原副边匝数比NP / NS L
是否算出电感的L和变压器的NP / NS就可以了？
NP
NS
回答三个问题： 1. 对于一个50Hz的工频变压器：220V / 110V, NP / NS 等于2是一定的. 那么NP取多少合适? 2匝? 100匝? 4000匝? 或是其它匝数? 为什么?
零电流区 电流密集区 电流密集区 零电流区
边界区
磁元件设计共性问题
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电感和变压器设计
一. 电导体的设计(直流电阻和交流电阻) 4. 交流电阻分析(集肤效应) 电流频率越高, 趋肤效应越强, 导体有效导电面积就越小, 交流电阻就越大! 要减小交流电阻, 必须增加有效导电面积. 为此引入穿透深度(penetration depth) 的概念 集肤效应：电流在导体的 电流密度 j 表面密集分布，中心部位
0 (1 (T 20))
其中 T ——温度，oC
•[mm]2/m
R
l 1 l S S
20oC时的工业纯铜
电阻率 (•[mm]2/m 温度系数(1/oC)
0 0.017241
20oC时的工业纯铝
0 0.0282
3.93103
3.90103
磁元件设计共性问题
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电感和变压器设计
三. 变压器的损耗(铜耗、磁滞损耗和涡流损耗)
Core losses increase roughly as the 1.6th power of the frequency an the 2.7th power of the peak flux density.
1,000~18,000
铁氧体磁芯 锰锌铁氧体(Mn-Zn-Fe) 镍芯铁氧体(Ni-Zn-Fe) 镁芯铁氧体(Mg-Zn-Fe)
15~500
300~1,500
磁元件设计共性问题
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电感和变压器设计
二. 铁芯材料选择(铁耗(体电阻和磁滞回线))
2. 开关电源的磁性材料
变压器和谐振电感: 锰锌铁氧体、非晶磁芯 电感扼流圈：铁粉芯、锰锌铁氧体、镍芯铁氧体、非晶磁芯 共模抑制器或尖峰抑制器：高导磁率的锰锌铁氧体、非晶磁芯等
2.0 0.75 2.45 1.5 ~0.9 ~0.9 ~0.8 ~0.5 ~0.3 ~0.3
<2 <10 <10 ~100 ~300,000 ~1,000 ~300 ~1,000 ~200,000 ~25,000
铁粉磁芯
3~20 碳基铁粉芯(C-Fe) 10~80 铝硅铁粉芯(Al-Si-Fe) 钼坡莫合金铁粉芯(Mo-Ni-Fe) 14~145
2. 有两个50Hz的220V / 110V 变压器, 一个容量50W, 一个是100kW.在 工业应用中, 它们两个的大小相同吗? 为什么?
磁元件设计共性问题
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电感和变压器设计
为什么要设计电感和变压器?
1. 铜耗问题(直流电阻和交流电阻)
2. 铁芯饱和问题(基本磁化曲线(BS和))
3. 铁芯材料问题(铁耗(体电阻和磁滞回线))
1 3.93103 (T 20) pd铜 66.0855 f 1 3.90103 (T 20) pd铝 84.5172 f
磁元件设计共性问题
pd
2
单位: mm
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电感和变压器设计
一. 电导体的设计(直流电阻和交流电阻)
6. 电导体的设计——导体截面的选择 导体截面的选择， 两个因素：
4. 居里温度(curie temperature)) 涡流损耗(eddy loss)和磁滞损耗(hysteresis loss)
磁பைடு நூலகம்件设计共性问题
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电感和变压器设计
一. 电导体的设计(直流电阻和交流电阻） 注: 无论变压器还是电感, 导体材料一般采用电工铜, 偶尔也采用铝等材料. 1. 直流电阻(金属, 不接近熔点和0K时)
磁元件设计共性问题
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pd
电流密度很小，使导体有 效导电面积减小，因而交 流电阻要大于直流电阻
i
j0
0.368j0
磁元件设计共性问题
1 j0 e
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电感和变压器设计
一. 电导体的设计(直流电阻和交流电阻) 5. 交流电阻分析(集肤效应的穿透深度pd)
Where 2 f , f Hz 0 4 107 H / m 磁导率. 空气磁导率为 电导率, 等于 (1 / )
磁元件设计共性问题
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电感和变压器设计
一. 电导体的设计(直流电阻和交流电阻) 2. 交流电阻(由于集肤效应, 交流电阻随频率增长)
RAC k AC RDC
(集肤效应也称趋肤 效应(skin effect)) 电阻比与频率归一化曲线
磁元件设计共性问题
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电感和变压器设计
一. 电导体的设计(直流电阻和交流电阻) 3. 交流电阻的成因(集肤效应)