磁性材料介绍与磁性元件应用1

前言

有关磁性的发现和应用早在呂氏春秋季秋篇中載 有[慈石召鐵,或引之也],后漢時期發明的[司南]湯 匙狀的指南針.但毕竟只是单一地应用了天然的磁性 材料（磁石）。 人类注意于磁性材料的性能特点、经过最近百年 的发展, 磁性材料已经形成了一个庞大的家族。 1）按材料的磁特性来划分, 有软磁、硬磁(永 磁)、旋磁、记忆磁、压磁等; 2）按材料构成来划分, 有合金磁性材料, 铁氧 体磁性材料。

一.磁性材料基本介绍

1.磁性材料分類: 磁性材料主要分為:軟磁材料和硬磁材料.

(1). 軟磁材料的主要特點是易磁化易退磁,大部分的軟磁材 料常容易被磁化,施加很小的磁場,即可使之磁化飽和而得到 飽和磁化量,一旦外加磁場消失,感應磁化隨即消失,材料本 身無保持磁化的能力,此類材料被稱為軟磁材料。 (2). 硬磁材料的主要特點與軟磁相反,經飽和磁化後當外磁 場去除時磁性並不完全消失,而能在較長時間內仍保留相當 強的磁性，此類材料被稱為永磁材料。 B H

軟磁磁滯曲線 硬磁磁滯曲線

2.磁性材料种类

合金軟磁材料 镍铁合金 硅鐵合金 非晶合金 AI Mo Co AI Ni Co 合金永磁材料 合金磁性材料 合金半永磁材料 磁滯電机轉子 電子開關 金屬磁性薄膜 合金矩磁 存儲器 . Co鋼 稀土金屬永磁 (Ni (Si 鋼片 鋼片 ) )

合金永磁 磁鋼

合金矩磁材料 無機磁性材料 合金磁致伸縮材料 鐵氧体軟磁材料 鐵氧体永磁材料 鐵氧体旋磁材料 鐵氧体矩磁材料 鐵氧体壓磁材料

鐵氧体磁性材料

Mn-Zn-Fe Ni-Zn-Fe Sr-Fe Ba-Fe ***矩磁,電子可按軌道自旋 ***旋磁,電子可視為始終處于自旋狀態

***合金磁性材料&鐵氧体磁性材料，均分为軟磁材料&永磁材料。

3.常用材質的性質比較

特性 鐵損 導磁率 飽和磁通 溫度影響 加工性 價格 非晶質合金 (Amorphous) 優 優 優 普通 劣 普通 導磁合金 (Permalloy) 普通 優 普通 優 優 普通 鐵氧體 (Ferrite) 優 優 劣 普通 優 優

4.磁滯曲線(B-H曲線)

B : 磁通密度,單位為Gauss(高斯); H : 磁場強度,單位為Oe(奧斯特); Bs : 飽和磁感應強度,其大小取決於 H 材料的成分,它所對應的物理狀態 是材料內部的磁化矢量整齊排列; Br : 剩餘磁感應強度,是磁滯回線上 的特征參數,,H回到0時的B值,矩形 比 : Br/Bs; Hc : 抗磁力(矯頑磁力)時表示材料 磁化難易程度的量, Bm : 最大磁通密度; Hm : 最大磁場強度

***磁場強度[A/m]奧斯特 安培/米,沿磁場方向相隔1米之兩點間的磁動勢,即為1(A)磁場強度. ***磁通密度[T或Wb/m2]特斯拉 或韋伯/米平方, 与磁通方向垂直每1(m2)平面上為1(Wb)時的磁通密度 Br

B

Bm

Bs

Ui

H

Hm Hc

5.磁性材料导磁率

絕對導磁率

初始導磁率

振幅導磁率

增量導磁率

其中:真空導磁率u0 uo = 4

π *10

-7

有效導磁率

6.Mn-Zn和Ni-Zn 鐵氧體成份

Mn-Zn鐵氧體Ni-Zn同屬于鐵氧體軟磁.且均采用燒結成型. 主要成份為Fe2O 3 例： Mn-Zn鐵氧體磁芯的基本鐵氧体:粉料配制(UF16 R6K) Fe2O 3 ZnO Mn3O4 70% CaCO3 0.10% 10% Nb2O5 0.05% 20%

7.铁氧体軟磁特性分析

設計好的磁性元件,首先必須了解磁性材料的特性, 尤為設計變壓器,通常使用於變壓器的材料多為軟磁, 而軟磁基本上有幾項特性會影響到設計參數的設定.

A. 初導磁率(Ui) C. 飽和磁束密度(Bs) D. 保磁力(Hc) E. F. 殘留磁束密度(Br) 導磁率(U)

ΔB/µ0ΔH(ΔH→0)=µi µi是初磁導率

B. 損失系數(Loss factor)

G. 鐵損(Iron Loss) H. 居禮溫度(Tc) I. J. 溫度系數(U-T) 頻率特性(U-f)

***磁疇变化开始叫初磁導率 ，磁疇变化结束叫飽和磁通 ***反映在磁性元件上,在磁性上增加匝數,電感不在增加.

8.铁氧体溫度特性

。

锰锌高导CORE 锰锌低损耗CORE 镍锌CORE

***導磁率高的材料,溫度特性較差.

(a) 高 u材 (錳 鋅 系 ); (b)低 損 失 材 (錳 鋅 系 ); (c)鎳 鋅 系

9.磁性材料的居里溫度 磁性材料

30000

ui-T

TL10

TL5

磁性居里温度切线

25000

20000

80%Ui

ui

15000

10000

5000

20%Ui

0

-20 0 20 40 60 80 100 120 140 160

0

180

200

***導磁率高的材料,居里溫度較小.

Temperature( C)

10.磁性材料的頻率特性

Mag n etic Lo sses (tan m)

tan δm

損耗因子

(tan δh)

磁滯損耗因子

(tanδ e)

渦流損耗因子

(tan δr)

殘余損耗因子

( f )頻率

損耗因子:表示小信號下的損耗特性 . (tan δm) = (tan δh)+ (tan δe) +(tan δr 比損耗因子:tan δm/ui 功率損耗:Pmax=Pc+Pm 磁芯損耗 Pc=Ph+Pe+Pr 铜线損耗Pm=Pj+PL

11.鐵損比较Core Loss（200KHZ）

。

3F3在200KHZ，CORE LOSS大

Core Loss（300KHZ）

3F3在300KHZ，CORE LOSS小

鐵損:

Pc=磁滯損耗Ph＋渦流損耗Pe +殘留損失Pr

1）磁滯損耗Ph: 在交變場中存在不可逆磁化而形成磁滯回線所引起的 被材料吸收掉的功率,是每次磁化所消耗的能量. 2）渦流損耗Pe: 是由交變磁場的電磁感應引起的渦流是材料內部晶格 交換產生的能量損耗,故而只能被材料吸收而發熱,使得 總的磁導率變小. 3）殘留損失Pr: 是指在除磁滯損耗,渦流損耗以外的一切損失﹒是由磁 化延迟及磁矩共振等造成.

銅損﹕Pm=Pj集膚效應+PL領近效應+PQ切割效應

內阻r:電流經過線圈內阻所產生之能量損失( I2 r ),在此轉換成熱能 1)集膚效應Pj: 線圈中流過高頻電流時在開關頻率較高﹐電流只在導線的表皮流 過﹐稱爲集膚效應﹐(高速開關下磁力線引起渦流﹐抵消中心電 流﹐導線形成空心導體)﹒ 2)領近效應PL : PRI&SEC,SEC&SEC線圈中流過高頻電流感生磁場相互影響, 稱爲領近效應. 3)切割效應PQ : CORE GAP產生散布磁場對領近線包產生切割影響,使導線不能 達到實際發揮能

力.

12.常用CORE材料与特性

名稱 材料 導磁率 ue 磁感应 強度 (T)

2.00 0.75 0.90 0.50

最高使用 頻率 (KHz)

10 30 300000 1000

常用材料

Si硅鋼片 Ni鎳鋼片 IRON Fe鐵粉芯 Mn-Zn鐵氧体

Si-Fe Ni-Fe Fe Mn-Zn-Fe

～1800 ～20000 3～120 1000～ 18000 15～500

H18.H23.H50.Z11.Z10

TP3.TP4.TP5.TL5.TL7.T L10 Pc30.pc40.pc44.pc50

Ni-Zn鐵氧体

Ni-Zn-Fe

0.30

100000

13.鐵芯的磁感Bs和頻率范圍f

。

Bs 2T 1T

Si-Fe IRON-Fe

Si-Fe硅鋼片最大使用頻率10k﹐不能用于高頻﹒ Mn-Zn鐵氧体最小使用頻率1k﹐不能用于低頻﹒ Fe鐵粉芯最小使用頻率大于1k﹐不能用于低頻﹒

0.5T 0.2T 0.1T

Mn-Zn-Fe Ni-Zn-Fe

f

50 Hz 100Hz 400 Hz 1KHz 40KHz 100KHz 400KHz 1MHz 4MHz 10MHz 40MHz 100 MHz 400MHz

1T =1000m T =10000Gs 1m T =10Gs

1MHz =1000KHz =1000000Hz 1KHz =1000Hz

磁性元件用各种磁性（1）

。

RM CORE POT CORE EP CORE

R IN G C O R E

PQ CORE

EFD CORE

BAR CORE

磁性元件用各种磁性（2）

SQ CORE EE CORE

SP CORE

DRUM CORE

EI CORE

UU CORE

ER CORE

二.磁性材料的應用 磁性材料

磁性材料在電子產品上的應用非常廣泛,磁芯主要應用 于:抗電磁干擾(EMI)計算機系統、通信系統、多媒體系統、 汽車系統、照明系統、辦公自動化系統、自動控制系統、 家電系統及其它開關電源等. 軟磁元件如電感和變壓器,以目前半導體技術的發展,在 許多方面仍然少不了這類的磁性元件,電感和變壓器很難 以用其他元件或半導體加以取代. 近年來電訊市場成長迅速,因此對軟磁元件的需求也隨 之提高,不論是生產或應用,確實了解材料和元件特性及其 使用上的重點,才能將其功效發揮到極至,從而提高產品的 等級,增加在市場上的競爭能力.

軟磁磁芯的特性要求及其效益

特性 。 導磁率(Ui) 飽和磁束密度(Bs) 保磁力(Hc) 殘留磁束密度 (Br) Q 居禮溫度 電阻係數 溫度特性 磁場特性 頻率特性 時間特性 機械特性 其他 高 高 要求 高 高 低 低 效益 可減少繞線圈數,故可降低繞線電阻及雜散電容, 以小體積可得到高電感量 可容許大磁場也就是大電流的存在,小體積大功率 降低磁滯損提高效率 提高動作範圍,減少損失,提高角形比,以得到良好 控制(磁器放大器方式) 視用途而要求高或低 高於最高動作溫度即可 降低渦流損,避免造成圈絕緣之困擾

越穩定越好

繞線,接腳,散熱,磁漏

金屬磁芯應用比較

應用

。

特性要求

材質

特點

高Bs 高Tc 高熱傳導係數 低損失 中至高Bs

矽鋼片 鈷鐵合金 鎳鐵合金薄帶 鎳鐵合金薄帶

可有方向性 低成本 高價位 可有方向性 可作不同形狀棬繞 可成為極薄之薄帶

大功率 低中頻 變壓器

非晶質合金薄帶 高電阻係數 中功率 中至高頻 變壓器 高Um 高角形性 低損失 高穩定性 低Um 鎳鐵粉(80%Ni) 低功率 中至低損失 鎳鐵粉(5

0%Ni) 中高頻 直流重疊性佳 電感或濾波器 溫度及時間穩定性佳 鐵粉芯 Ferrite材質中,避免高電塲下,晶界被擊穿 非晶質合金薄帶 高角形性 低磁伸縮 低損失,穩定 高Bs 成本低 高Bs

安培定律（法）：電生磁

法拉第定律（英）：磁生電

Ampere’s Law

Faraday’s Law

S N φ

。

∑I = I1-I2

I1

I2

H

匝数

電流

e

F = ∫ Hdl = ∑ I

l

磁场强度

Hl = NI

磁力线长度

变化磁通

∫ Edt = N∆Φ

電压

∆Φ E= N ∆t

变化时间

電&磁 关系的比较

Φ

i

。

+ -

NI

R

m

+ -

V

R

Magnetic circuit Magnetic circuit 磁动势 磁通量 磁阻 F ϕ Rm

Electric circuit Electric circuit 电动势 电流 电阻 E I R

磁通密度 B

电流密度 J

***凡有電之處,則必有磁性存在.凡有磁性之處,均可稱之為磁場

铁氧体Ferrite材質的應用要求

應用範圍

濾波電感 功率變壓器 脈動變壓器 轉換器 雜訊濾波器 電流變壓器 寬頻變壓器 返馳變壓器

種類

MnZn,NiZn MnZn MnZn,NiZn MnZn MnZn,NiZn MnZn MnZn,NiZn MnZn,NiZn

特性要求

高u,高Q,高穩定性 高Bs,低損失,高u,居里溫度高 高u,低損失 低損失,高Bs 超高u,高Bs 高u,高Bs 高u,低損失 高u,高Bs,低損失

應用頻率

1MHz(MnZn) 1~100MHz(NiZn) 1MHz 1MHz(MnZn) 1~50MHz(NiZn) 1MHz ~250MHz 1MHz 1MHz(MnZn) 1~500MHz(NiZn) 100KHz

常见软磁应用

Transformer DM filter PFC inductor

Output choke

D2D

L

CM filter 电-----磁

U1

N1

N2

U2

磁-----电

常见硬磁应用

话筒的音膜受到声压推动，切割磁力线产生电压经 过放大器，放大电压到达扬声器切割磁力线推动扬声 器纸盆发出声压。

电压 声压 电压 声压

Al Ni Co永磁钢

Br Fe永磁铁氧体

磁-----电

电-----磁

常用磁性材料

1) 鐵氧體鐵芯(Ferrite)最常用的材料. 鐵氧體鐵芯又分為: 。 1.Mn-Zn的使用頻率較低,大約為幾千赫(KHz). 2.Ni-Zn使用頻率可達數十兆赫(MHz). 鐵氧體鐵芯廣泛用于各類高頻變壓器,開關電源,轉換器 變壓器以及高频扼流圈,EMI濾波器,電感. 2)非結晶態合金是軟磁合金材料,具有優良的電磁性能, 耐電流性能,在中,高電子設備中廣泛應用.（主要在制造中采 用百万℃之一秒速度，急速冷却，使材料分子未能结晶） 主要用來做高頻電感,開關電源變壓器和脈沖變壓器等高 頻電磁元件. 3)鐵粉芯是用Ni,Mo軟磁粉末壓制的環形鐵芯它的穩定性 好,且具有使用頻率範圍較寬的特點,（主要在制造工艺中采用 天然的氣隙分布 ） 主要應用于濾波及諧振電路中,制作高頻電感的鐵芯.

（一）EMI Filter(濾波器)

EMI（電磁干扰）: 1）按照干扰頻率分為 ：（傳導干扰噪聲） ＜30MHZ, （輻射干扰噪聲） ＞30MHZ. 2）按照干扰模式分為 ： 差模DM干扰噪聲, 共模CM干扰噪聲. EMC（電磁兼容）:是各种電器与設備系統在同一電磁環境中可以 相互兼容﹐而且

不導致其性能下降. .防止電磁干扰 相關技術﹕1，濾波技術﹒2，線路設計﹒ 3，屏蔽技術﹒4，接地設置﹒ EMI濾波器是集成差模和共模濾波電感器﹐ 對于外部傳導EMI干扰噪聲信號具有較好抑制.同時防止內部干 扰噪聲﹐內部干扰主要來源于電子線路整流后的波形畸變產生的 噪聲和開關電源的波形突變產生的噪聲﹒ ***防止電磁干扰 相關技術主要采用濾波器

Filter(濾波器)图形

濾波器在电路作用

整机測試EMI圖形

dB/mV 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

10K

未接濾波器不合格EMI

A等級 B等級

B等級不合格EMI

OK

f MHz

150KHz

100K 300K

500KHz

500K

1M

5MHz

3M

5M

10M

30MHz

30M

50M

100M 300M 500M

濾波器的作用

利用不同頻率的訊號,使電感&電容元件,產生不同阻抗(即 較高頻率的訊號,其感抗較大而容抗較小,而較低頻率的訊號, 其感抗較小,容抗較大)造成不同頻率訊號,對于電容或電感之 衰減量不同,故使所需訊號與雜訊之S/N比值提高,而達到雜訊 干擾(噪音)抑制的作用. 濾波器采用CORE：SQ，SP，UU，T，EE。。。 濾波器電感设计采用L=AL*N2

共模&差模 濾波器電路

常见EMI FILTER電路

L1 CY1 CX2 OUT

IN

CX1

CY2 L2

共模﹒差模等效電路

CM共模﹕ (COMMON-MODE)兩個繞在同一磁環的線圈﹐匝數相等﹐繞向相 反﹐使兩個線圈內通過的共模電流所產生的磁通在磁環內相互 抵消﹐避免磁飽和狀態﹐保持電感穩定﹒ DM差模﹕ (DIFFRENTIAL-MODE)兩個繞在同一磁環的線圈﹐在差模時形成 兩個獨立電感線圈﹒(需要時也可以另加兩個獨立電感線圈) 差 模

共 模

共模等效電路

共模時L1﹐L2產生的磁通串連﹐磁通相加﹐ 電感趋向高的阻抗﹒

r L1+L2

CY1+CY2 1/2CESR 1/2CESL 2CP

共模噪音:

共模噪音:是訊號或其回路與大地間之雜訊(在于接地 相關之電路上發生的雜訊或電氣干扰),其傳導方式如 圖:

差模等效電路

差模時L1﹐L2產生的磁通反相串連﹐磁通相減﹐ 電感較小﹒

L1-L2（漏感） 2r 1/2(CY1+CY2) 2CESR 2CESL 1/2CP CX1+CX2 CESR CESL

差模噪音:

差模噪音:是訊號線與其回路之間的雜訊,(發生在電路 中,電路與電路之間)其傳導方式如圖:

（二）PFC功率因數修正choke

﹒整流電路會給電網供給嚴重的非正弦電流.脈沖狀的輸入電流.

含有大量諧波. 諧波電流對電網有危害的作用.使得輸入功率因 素下降.諧波噪聲提高.故而在輸入端增加濾波PFC改善功率因素.

一般輸入波形下諧波頻譜分析.三次諧波分量77.5 %.五次諧波分量50.3 % 總的諧波電流分量95.6 % 一般輸入功率因素只有0.683（PF68.3 %） 大量諧波電流分量倒入電網.使得負載上的實際功率減小.(電網伏安數大.負 載功率減小)

諧波電流分量

PFC功率因數定義

.定義: PF=有用功率/伏安=P/UI PF=P/S=VS IS1COSΦ/VS

IS (P=VSIS1COSΦ S=VSIS ) PF功率因素=P實際功率 / S視在功率 IS1/IS為畸變因子即 THD 為(失真因素Kd); COSΦ為(位移因素Kθ)

Vs

Kd= IS1/IS . Kθ= COSΦ

Is I s1

Φ

PFC(無源濾波器) & APFC(有源濾波器)

. PFC無源濾波器也稱被動式PFC主要是在整流前串一個濾波電感器 來改變輸入電流的波形與相角﹐使其波形較為平滑(減小紋波)﹒ 特點：簡單.成本低.可靠性高.　重量.尺寸大. PF難以達到＞85 % APFC有源濾波器也稱主動式APFC在整流與負載之間串一個DC-DC CONVERTER變流器﹐豈現主動開關的動作﹐將輸入電流的波形修正 為近似正弦波的波形﹒ 特點：電路復雜.成本高.效率會降低.体积小。 PF達到＞92 % 例：采用IC(BU3842)可以在較寬的輸入電壓（90V-264V）和寬頻帶 下工作PF可達97 %--99 %　　

***APFC采用固定高頻諧振開關脈沖寬度調制升壓式變換電路,平均電流型控制方法.UC3854

PFC無源濾波器波形

PFC

.

Ii

Is波形崎變 Vs正弦波

Ii改善波形

Vi

(Si-Fe 硅钢片 PFC)

APFC有源濾波器波形

.

Ii

PFC

Ii 近似正弦波

Vi 正弦波

Vi

(Mn-Zn-Fe 铁氧体 PFC)

（三）開關電源變壓器

開關變壓器

是将DC電壓﹐通过自激式震蕩或者IC它激式間歇震 蕩形成高頻方波﹐通过變壓器耦合到次級,整流后达到 各种所需DC電壓﹒ 變壓器在電路中電磁感應的耦合作用﹐达到初﹒次 級之間绝缘隔离﹐輸出所需各种高頻電压﹒ 目的﹕减小變壓器体積﹐使設備小形化﹐節約能源 ﹐ 提高穩壓精度，效率高，降低成本﹒

.

開關電源變壓器图形

變換器電路 1）Buck Converter

Buck為降壓變換器.串聯開關穩壓電源.也稱三端開關型降壓 穩壓器. 電路由占空比D工作的Tr完成變換功能.

+ Vin _

Tr

+ Vo _

2）Boost Converter

Boost為升壓變換器.并聯開關電路.也稱 三端開關型升壓穩壓器.

+ Vin _

Tr

+ Vo _

3） Buck-Boost Converter

Buck-Boost為降壓-升壓變換器. 也稱反相變換器.

+ Vin _

Tr

_ Vo +

4）Flyback

Converter

Flyback是在Buck-Boost推演形成的 反激式變換器.利用磁性的儲能.形成電磁轉換. 電壓變換.高壓隔離Flyback反相變換器

5）Forward Converter

Forward是在Buck的變換器演變而得. 是在開關管Tr和續流二極管D之間加變壓器形 成正激式變換器.

開關變壓器主要工作方式

一.隔离方式: 二.激勵方式: 三.反饋方式: 四.控制方式: 五.常用電路形式: Half-bridge 有隔离; 非隔离 自激勵; 它激勵 自反饋; PWM: 它反饋 PFM

(TV&TVM11)

(F+ & IC) (F- & IC)

(T & TON)

FLYBACK .FORWARD Full-bridge Push-pull

红字为常用形式

變壓器磁性象限应用 。

Br

B

Bm

第一象限：

Flyback Forward

Ui

H

第三象限：

Hm Hc

Half-bridge Full-bridge Push-pull

Flyback电路分析

FLYBACK单端反激勵 （返駛式）

.

Ip Is Vo

Vgs

Vin

VoN1/N2

Ton

Toff

Vin

Vg

s Tr Ton Toff Rfz Rfz

C

φ

控制电路

Ip

Ipmax Ipmin Ismax

Is 0

Ismin t

Lp

C

磁芯開氣隙前後比較

1.加GAP后H增加﹐能量傳遞區域加大﹒ ΔB

B

黑色為NO GAP磁滯曲線, 紅色為GAP磁滯曲線

Bm

ΔB Br 2.加GAP后Br下降﹐工作區域加大 Br 磁芯损耗加大

H

3.加GAP后Ue

T.R)

開關變壓器應用磁滯回線描述

B

um

I Bm

。

Bac Bdc Br

ui

Ton Toff Idc

變壓器開關时磁线轨迹 Br Bm Bm Br

H

直流叠加：当交变磁场与直流磁场同时作用于磁性时,称直流叠加 正弦作用时,磁通密度形成小磁滞回线时其峰值 Bac/2,小磁滞 回线平均斜率叫增量磁导率 u =1/u0* B/ H

Power Loss Mn-Zn Co-Fe Fe

3 Power loss density(kw/m )

(100℃)

Power loss density(kw.m3)

.

Power loss density vs. peak flux density

Power loss density vs. peak flux density

610 510 410 310 210 110 10 100 150 200

Bm(mT)

Ferrtie----TP4

160 120 80 40 0 100 150 200 Bm(mT)

Co-based amorphous alloy Fe-based nanocrystalline alloy

20kHz

50kHz

250

300

250

300

Ferrite----TP4

Co-based amorphous alloy

Fe-based nanocrystalline alloy

Power loss density vs. peak flux density

Power loss density(kw/m3)

Power loss density vs. peak flux density

1210 1010 810 610 410 210 10 50 75 100 125 150 Ferrite----TP4

1210 810 610 410 210 10 100 150 200 250

Ferrite------TP4

Power loss density(kw/m3)

1010

100kHz

200kHz

Bm(mT)

Co-based amorphous alloy Fe-based nanocrystalline alloy

Bm(mT)

Co-based amorphous alloy Fe-based nanocrystalline alloy

***不同材料在不同频率时，其POWER LOSS也不同。

采用三明治绕线

。

PRI SEC

F 漏磁势 D距离

M=1 M=2 M=4

M=漏磁势组数 通常三明治繞法都是將次級側夾在初級側之內,但是若是在多組 輸出又是低壓,大電流且一個負載下,將二次側分為兩部分把一次側 放在中間更好,這種繞法,銅損較低,且由於接近鐵芯所以交流電壓 低可減少由一次側偶合之鐵心的高頻雜訊，漏电感小，损耗少。

三明治繞線的串聯方式&和并聯方式

串聯方式 :PRI (5-A)+(A-1) Φ0.23*2 串聯繞線工序 : 1. 5-A Φ0.23*2 Φ0.15*3 Φ0.15*3

BIFILAR BIF ILAR

.

例:2811230080(ER14.5) 5Ts+5Ts 并聯方式 :PRI (5-1)// (5-1) Φ0.23*1 10Ts//10Ts 并聯繞線工序 : 5Ts TAPE*2 1. 5-1 Φ0.23*1 Φ0.15*3 B IFILAR Φ0.15*3 B IFILAR Φ0.23*1 10Ts TAPE*2

2. 9-6 3. 10-8

12Ts TAPE*2 12Ts TAPE*2 5Ts TAPE*2

2. 9-6 3. 10-8 4. 5-1

12Ts TAPE*2 12Ts TAPE*2 10Ts TAPE*2

4. A-1 Φ0.23*2 ***A為不剪斷 ,續繞 A-1

串聯方式:用于Vin60電壓較大,且Hi-POT>1500V 此繞線方式避免碰線 ,避免繞 SEC時 A線絞線損傷線 . 實際PRI&SEC在側面碰在一起.如剪斷X線要點膠固定

A-1

9-6 10-8

5-1 SEC PRI

9-6 10-8

5-A

5-1

高频變壓器分佈参数

（1）漏电感

理想變壓器中,若將二次側短路,則在一次側就會等 效零阻抗,所以輸入的電流即呈無限大,但實際上,並非 如此.因為偶合的不完全,即使沒有繞線阻抗,此電流也 有一定大小,此不完全之偶合就產生漏磁通,轉換成漏 電感形式在變壓器中. 所以漏電感在意義上,可表現變壓器繞阻間之偶合 程度,也是一個限制電流通過的阻抗.因此它會對變壓器 的穩壓產生影響,另外因為磁通意味著能量存在,故在高 頻變壓器中,它會形成功率晶體切換間的尖波,傷害到功 率元件,因此低的漏電感是多數電路設計之共同需求.

漏電感造成电压尖波

高频變壓器分佈参数（2）分佈電容

分佈電容Cp﹕在電感工作到一定頻率時﹐繞線結构類似導体有如 電容電板之作用﹐有電容值,一般稱分布電容﹒Xc=1/2πf Cp 當分佈電容 上電壓產生變化都會有雜訊產生而且當變壓器不動作 時,我們可由等效電路中看出其分佈電容Cp虽小，但是 L.C正好組 成一共振電路.就會形成電路極大的損失,输入電流带较大雜訊波形

fr = 1 2π√LpCL

IL

***當開關管（導通）由於開關寄生電容及變壓器Cp産生浪湧電流﹐流向開關産 生很大雜訊。

分布電容的主要因素

在多層繞阻時,層間電容才是決定雜散電容的主要因素,同樣二 次側的電容層間Cs,其反射至一次側的電容就相當於Cs/n, n 為一 二次側的圈數比,故全部的層間電容為Cp+Cs/n , 如圖

1:n Cs

Cp

n2

Cs

***相对而言漏感Lk小，电容Cp大。在设计变压器中是一对矛盾 三明治绕线方式分布電容大

高频變壓器分佈参数（2）集膚效應

。 集膚效應Wire Skin effect ﹕線圈中流過高頻電流時在開關 頻率較高﹐電流只在導線的表皮流過﹐稱爲集膚效應﹐高 速開關下磁力線引起渦流﹐抵消中心電流﹐導線形成空心 導體﹒ 高頻(100KHz—3MHz) 穿透深度Δ＝66.1／√f（mm） 高頻時 線經不 超過穿透深度Δ的兩倍爲好﹒采用多股線 例﹒Δ＝0.09 0.09＊2＝0.18 選用0.10－0.17線經

（四）

Inductor coil電感線圈

.電感線圈的功能: 1)抑制電流變化的功能﹐ 2)磁場儲存能量的功能﹒ 電流流經電感線圈時產生磁場﹐磁場的變化會 產生電流的反方向感應電壓﹒這種特性稱為“電感 值” 電感線圈兩端產生感應的電壓, 定義為 V=L di / dt 也稱“交流電阻” 電感儲存能量 P=1/2 L I2 電感与磁芯关系 L = N2 *Ue *Uo*Ae/le

***電感定義: 電壓除以電流隨時間的變化率L = V / (△ I/△ t)

電感線圈图形

電感線圈等效電路

L

。

r

L CP

r一般指繞線的內阻﹐電流經過線圈內阻所產生之能量損失“I2R”, 在此轉換成熱能﹒ CP在電感工作到一定頻率（高频）時﹐繞線結构類似導体有如電容 電板之作用﹐有電容值,一般稱分布電容﹒Xc

=1/2πf Cp

電感阻抗曲線

阻抗。 Z f0 XL=XC

XC=1/2πf CP容抗

理想電感

XL=2πf L感抗

頻率 f

阻抗Z=r+ XL+XC 。 ﹒ 1﹒ f＜ F0時,電感器類似于一個電感.容抗可忽略不 計,即:Z=r+XL

2﹒電感器阻抗在導體的並聯諧振頻率fo時達到峰值, 此時XL= XC Z=r ( Q=0 L=0 ) 3﹒ f＞ F0時, 頻率繼續增加,阻抗減小,此時電感器 類似于一個電容.此時感抗可忽略不計,即有:Z=r+XC

典型阻抗Z &電感L 圖形 z

。

f0 XL=XC

L

f

f0時 L=0 Q=0

f

***當阻抗 > f0,XC作用時,此時電感出現-L.可用HP4194A TEST

电感因素AL

是以每圈(N)的平方表示， 毫微亨 (10-9亨利)值顯示,即(nH/N2) 電感(L): L=AL*N2 （N=1时L=AL） ***L=U0*Ue/C1*103 *N2 AL = L/N2 （C1为磁芯尺寸因子） AL的本質與有效磁通截面積,有效磁路長度和材質 既定特性有關.利用這一點,可以用Gap和中孔調節 棒來調節電感範圍. 设计電感线圈，滤波器。CORE AL* N2 =需要電感L ***Ui=L-L0/4 π N2*Le/Ae*109 ( L0为无磁芯线圈）

電感額定值(AL):

品質因素Q

。 電感通常用Q值來表示它的質量 Q＝ωL/Re=2πf L/Re Re=r+Rc+Rw(內阻+磁損+銅損)

電感的品質因素Q是測量電感相對損失的指標﹐ 感抗XL,有效電阻Re都有關于頻率f﹒ Q值与頻率和繞組參數有關

功率电感Power inductance

。

功率電感(DR+CUP)CORE组合

1)（Ni-Zn-Fe) 鎳鋅鐵氧体 COREDR+CORE CUP使電感上 升60%-90%，（视GAP大小） 2)因为磁力线回路加大近一倍(H=

L磁力线

A--A GAP

。

√2NI/L),所以载電流能力加大，功 率增大.

A--A

DR

CLIP

3)在電路中载電流能力，作为补 偿電感时追求在多少電流下保持 CUP 应有的電感为目的. 4)使用鎳鋅CORE在電路中工作 頻率較高.

功率電感主要測試參數

品名 P/N 電感 L( uH ) 直流電阻 DCR(mΩ) 額定電流 線經

I dc( A )

SIL104-1R5 SIL104-3R8 SIL104-100 SIL104-200

1.5+/-30% 3.8+/-30% 10+/-30% 20+/-30%

8.1 13 35 73

10.0 6.0 4.4 2.9

0.45*2 0.32*3 0.31*2 0.26*2

.

L

20 10 3.8 1.5

電感值&载電流关系

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 A ***電感值高的载電流較小,且DCR大.

功率電感主要问题点

1）GAP的控制：控制好GAP才能保证功率電感的電感值一致性。 2）胶水的正确特性：胶水的应力（粘结强度OR硬度）对電感值会产 生变化，会造成 CLIP的脱离，烤烘时间的浪费。 3）CLIP的氧化及平整度：CLIP的材质及操作过程的控制。 讨论一下胶水：

材料 粘度: 硬度: 硬化時間: ( 130度 ) 抗拉強度: ( Kg/cm2 ) 1。粘度: 表示稠密程度，一般 水=1；机油=1000；牙膏=50000；蜂蜜=80000； 2。硬度: 表示胶水的结膜硬度，数值大，结膜能力强，硬化時間短，抗拉強度大。 >20 280-320 320-380 EP382 6万-15万, 28-33 120’ EP399 5万-10万, 65-73 90’ EP391 15万- 21万, >80 60 ’ K1401-11 24万- 40万 >90

***胶水的结膜硬度與胶水的固

化剂多少有关,也就是正确選擇胶水特性是關鍵.

變壓器最新结構

。

輕,薄,短,小是電子產品發展的趨勢, 也是設計中的挑戰,目前高頻化是所公認最 容易達到目標的一種方法,然而磁性元件傳 統將同線繞於鐵芯上的構造,對於高度的改 善十分有限,因此一種新的變壓器架構已被 發展出來,平面型(planar)或薄型(Low profile)比變壓器.下面介紹一種平面型變 壓器-----------印刷電路板型-------如圖 利用印刷電路板,將繞阻事先蝕刻,形 成圈數相異的漩渦型,並在層與層間加薄膜 絕緣.然後再堆積,形成初級線圈,它除了與 原線圈型變壓器相同之功能外,此種構造還 存在以下特點.

***集膚效應小;漏電感小;可靠性高;製造容易;重量輕; 低高度。