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磁性材料与变压器相关的微妙关系

时间:2016-9-1 9:42:26 点击:499

  中国变压器网讯:磁性材料以及变压器的设计,主要说三种,一是硅钢片构成的工频变压器,一种铁硅铝铁粉芯磁环,还有一种是锰锌镍锌材料构成的磁环。三种应用于不同场合,其中硅钢片主要用于工频变压器,因为U值在1.5K附近,适中,Bsat值大,达1.5T,因此抗磁饱和强度。铁硅铝铁粉芯材料U值低,一般在百附近,B值相对硅钢片小,但是比高导材料(锰芯镍锌)大很多,主要用于直流分量大的场合。比如用于BUCK连续电流电路。而锰芯镍锌磁导率很高,最高最达10K,因此耦合性很好,主要用于小信号耦合传输。比如驱动信号以及电压电流采样。这种材料主要绕几匝就能满足感量要求以及合适的激励电流。

  说说变压器的设计

  首先我们知道变压器是一个激励电感和理想变压器构成,当然还有初次级漏感。但我们可以先假设漏感忽略不记。那么变压器主要参数就是激励电流和匝数了,也就是磁动势。这直接和B值有关。其他条件不变下,NI越大,B值越大,越容易磁饱和。那么好了,现在讨论下NI值怎么取才能让B值处在一个安全的范围内。

  相信大家知道B=UH,这是定义出来的,U就是磁导率,就是B与H的比值,U不是常数,但是在小H下B与H成线性关系(一般材料),而H=KNI,K是比例常数,N是匝数,I是激励电流。那好了,如果要减小B值就得减小NI乘积(同一磁环)。激励电流I是和电感量成反比的。如果增大电感量则激励流会下降,但是N就得增大,否则电感量如何上升。我们知道电感量又和N^2成正比,L∝N*N?μ。而U=LI/T,把L值代进去得U∝N*N?μ?I/T。所以

  B=μH=kμNI=k(μNUT)/(N^2*μ)=KUT/N

  由此式可知B∝1/N。所以增大N就能减小B值,所以理论上我们最好让N值无穷大,这样B不容易饱和,但是实际情况总有个度,首先就是我们的变压器功率。

  因为我们总要输出一定功率,否则变压器就失去了作用。既然要输出功率那么肯定有一的电流过绕线,若取得很细,则线压降很大,线损很大。若线取得粗则磁环大小限制,不能绕下那么多绕线,所以匝数就有限。除非增大磁环。当然我们不必要取B值太小,否则磁环利用率低,所以我们要取个平衡值。

  因此变压器设计首先考虑功率输出,然后确定需要多大的导线。线径确定后就开始选择磁环大小。根据磁环大小来得到一个合适的L值,在该值下算出I,然后乘以N,看是否超出B值,若超出则增大N,直到B值在一定范围内,假如线绕不下则换体积更大的磁环。下面验证为什么不增大导率减少N以用小体积磁环得到大功率输出。

  同一磁环不同N下B值趋势:

  由上面推导知道B1/B2=N2/N1。所以增大一倍匝数,则B值减少一半。

  ①相同形状L相同Ur不同下。首先L值不变,因此I值也不变。高μ值下必然得减少N值以保持L不变,所以由L∝N^2*μ知,

  N1^2*μ1=N2^2*μ2,

  所以μ1/μ2=(N2/N1)^2。

  所以N2=(√μ1/μ2)*N1。

  由B=KμH得(K是比例常数,由磁环形状决定),当形状一样时K相同。B2/B1=√(μ2/μ1)。所以μ值增大两倍则B值增大√2倍。所以虽然增大μ值能减小N,但是付出的代价确是B值更加趋于饱和状态。

  对于BUCK电路,磁环上的绕线纯粹是充当电感,所以流过多少就是多少激励电流。因此BUCK电路一般很少用高磁导率的磁环,而且假如有直流分量的话最好用铁硅铝或粉芯,首先他们磁导率低,第二B值大,不容易磁饱和。第三工作频率能上几十KHZ。又因为硅钢片不适合高频,所以BUCK很少使用硅钢片做磁环。

  总结一下

  能增大N尽量增大N,能用低μ值尽量用低μ值。前提是保证耦合性好。同一磁环增大N则减少B,不同磁环相同L,μ值大,则B值大。

  L计算公式:

  L=[4N^2(D?d)?h*10^(-7)*μ]/(D+d)=4N^2*h(1-2d/(D+d))?10^(-7)?μ

作者:编辑部 来源:中国变压器网
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