高頻電源變壓器磁芯的設計原理和設計方法說明

　　開關電源正向高頻化發(fā)展，作為主變壓器使用的軟磁鐵氧體磁芯，從材料性能、尺寸形狀等均應作相應改進。本文討論了磁芯設計中應考慮的通過功率、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計方法。

　　電子信息產業(yè)的迅速發(fā)展，對高頻開關式電源不斷提出新的要求。據(jù)報導，全球開關電源市場規(guī)模已超過100億美元。通信、計算機和消費電子是開關電源的三大主力市場。龐大的開關電源市場主要由AC/DC和DC/DC開關電源兩部分組成。據(jù)預測，AC/DC開關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，年平均增長率為 5.9%。低功率的AC/DC（0～300W）將面向增長平衡的消費電子和計算機市場；大功率的 AC/DC電源（750～1500W）將面向增長強勁的電信市場。DC/DC電源約占整個開關電源市場的30%，但計算機與通信技術的快速融合，帶動了DC/DC模塊式電源的迅速增長，預計今后幾年，DC/DC電源模塊增長速度將超過AC/DC電源，如有人估計，中國今后五年， DC/DC電源模塊市場年增長將達15%，增長主要是在電信部門。開關式電源技術發(fā)展趨勢是高密度、高效率、低噪聲，以及表面貼裝化。無論是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系到電源的轉換效率和功率密度等。在變壓器設計中，主要包括繞組設計和磁芯設計。本文擬重點討論涉及主要變壓器磁芯設計中應考慮的通過功率、性能因子、熱阻等參數(shù)，并對降低磁芯總損耗提出了材料微觀設計應考慮的方法。

　　電源變壓器磁芯性能要求及材料分類

　　為了滿足開關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)軟磁合金競爭，但從性能價格比考慮，軟磁鐵氧體材料仍是最佳的選擇；特別在100kHz到1MHz的高頻領域，新的低損耗的高頻功率鐵氧體材料，更有其獨特的優(yōu)勢。為了最大程度地利用磁芯，對于較大功率運行條件下的軟磁鐵氧體材料，在高溫工作范圍（如80～100℃），應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率。這樣變壓器磁芯在規(guī)定頻率下允許有一個大的磁通偏移，其結果可減少匝數(shù)；這也有利于鐵氧體的高頻應用，因為截止頻率正比于飽和磁化。（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功率。 附帶的要求則還有高的居里點，高的電阻率，良好的機械強度等。 新發(fā)布的“軟磁鐵氧體材料分類”行業(yè)標準（等同IEC1332-1995），將高磁通密度應用的功率鐵氧體材料分為五類，見表1。每類鐵氧體材料除了對振幅磁導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，主要應用于回掃變壓器磁芯；PW2材料，適用頻率為25～200kHz，主要應用于開關電源變壓器磁芯； 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)在國內已能生產相當于PW1～PW3材料，PW4材料只能小量試生產，PW5材料尚有待開發(fā)。