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    電力電子電路常用磁芯元件的設計


    一、常用磁性材料的基本知識

    磁性元件可以說是電力電子電路中關鍵的元件之一,它對電力電子裝置的體積、效率等有重要影響,因此,磁性元件的設計也是電力電子電路系統設計的重要環節。磁性材料有很多種類,特性各異,不同的應用場合有不同的選擇,以下是幾種常用的磁性材料。

    1、低碳鋼

    低碳鋼是一種最常見的磁性材料,這種材料電阻率很低,因此渦流損耗較大,實際應用時常制成硅鋼片。硅鋼片是一種合金材料(通常由97%的鐵和3%的硅組成),它具有很高的磁導率,并且每一薄片之間相互絕緣,使得材料的渦流損耗顯著減小。磁芯損耗取決于材料的厚度與硅含量,硅含量越高、電阻率越大。這種材料大多應用于低頻場合,工頻磁性元件常用這種材料。

    2、鐵氧體

    隨著工作頻率的提高,對磁芯損耗的要求更高,硅鋼片由于制造工藝的限制,已經很難滿足這種要求,鐵氧體就是在這種形勢下出現的。

    鐵氧體是一種暗灰色或者黑色的陶瓷材料。鐵氧體的化合物是MeFe2O4,這里Me代表一種或幾種二價的金屬元素,例如,錳、鋅、鎳、鈷、銅、鐵或鎂。這些化合物在特定的溫度范圍內表現出良好的磁性能,但是如果超出某個溫度值,磁性將失去,這個溫度稱為居里溫度(Tc)。鐵氧體材料非常容易磁化,并且具有相當高的電阻率。這些材料不需要像硅鋼片那樣分層隔離就能用在高頻的應用場合。

    高頻鐵氧體磁性材料主要可分為兩大類:錳鋅(MnZn)鐵氧體材料和鎳鋅(NiZn)鐵氧體材料。比較而言,NiZn材料的電阻率較高,一般認為在高頻應用場合下具有較低的渦流損耗。但是最近的研究表明,如果顆粒的尺寸足夠小而且均勻,在幾兆赫茲范圍內MnZn材料顯示出較NiZn材料更為優越的特性,例如,TDK公司的H7F材料以及MAGNETICS公司的K材料就是采用這種技術,適用于兆赫茲工作頻率下工作的新型鐵氧體材料。

    3、粉芯材料

    粉芯材料是將一些合金原料研磨成精細的粉末狀顆粒,然后在這些顆粒的表面覆蓋上一層絕緣物質(它用來控制氣隙的尺寸,并且降低渦流損耗),最后這些粉末在高壓下形成各種磁芯形狀。

    由于原料成分的不同,粉芯材料又可分為鐵粉芯、鉬坡莫合金粉芯(MPP)和高磁通粉芯(鐵鎳磁粉芯)等材料。鐵粉芯是所有粉芯材料中最為便宜的材料,磁導率一般在4~80左右。由于顆粒之間相互都絕緣,與硅鋼片相比雖然渦流損耗被大大地降低,但高頻情況下由損耗導致的溫升仍很高。所以鐵粉芯一般用于較低開關頻率的場合。鐵粉芯的飽和磁感應強度一般在1特斯拉(T)左右。

    MPP磁芯的相對磁導率一般在14~350,飽和磁感應強度為0.7T左右。在現有的粉芯材料中,MPP具有損耗低、溫度穩定性好的優勢。此外,它也是磁導率選擇范圍最廣的粉芯材料。但是由于鎳的含量高,所以它也是最昂貴的粉芯材料。由于MPP磁芯在所有粉芯材料中磁損最低,所以它特別適合應用于反激電路,Buck/Boost以及功率因數校正電路,此外均勻分布的氣隙使銅損大大降低。

    高磁通粉芯是一種氣隙均勻分布的磁環,由50%鎳和50%鐵合金粉末制成,它的相對磁導率一般在14~200。高磁通粉芯的飽和磁感應強度高達1.5T,而一般MPP為0.7T,鐵氧體為0.45T。與鐵粉芯相比,高磁通粉芯的磁損大大地降低,又由于高飽和磁感應強度,該磁芯使得絕大多數場合下鐵粉環尺寸降低成為可能。


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