1 引言
電子信息產(chǎn)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[1]。通信、計算機和消費電子產(chǎn)品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(0~300W)的AC/DC將面向增長平穩(wěn)的消費電子產(chǎn)品和計算機市場;大功率(750~1500W)的AC/DC電源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,有人估計,中國今后五年,DC/DC電源模塊市場年增長將達15%,增長主要是在電信領域。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。
2 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。為了最大限度地利用磁芯,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℃),應具有以下最主要的磁特性:
1)高的飽和磁通密度或高的振幅磁導率。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通密度。
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IEC61332:1995),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)(此參數(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(chǎn)相當于PW1~PW3材料,PW4材料只能小量試生產(chǎn),PW5材料尚有待開發(fā)。
眾所周知,變壓器的可傳輸功率Pth正比于工作頻率f,最大可允許磁通密度Bmax(或可允許磁通偏移ΔB)和磁路截面積Ae,并表示為
Pth = CfBmaxAeWd (1)
式中,C為與開關電源電路工作型式有關的系數(shù)(如推挽式C=1;正向變換器C=0.71;反向變換器C=0.61);Wd為繞組設計參數(shù)(包含電流密度S,占空因子fCu,繞組截面積AN等)。
這里,我們重點討論(fBmaxAe)參數(shù)(暫不討論繞組設計參數(shù)Wd)。增大磁芯尺寸(增大Ae)可提高變壓器通過功率,但當前開關電源的目標是在給定通過功率下要減小尺寸和重量。假定固定溫升,對一個給定尺寸的磁芯,通過功率近似正比于頻率。圖1示出變壓器可傳輸功率Pth與頻率f的關系。提高開關頻率除了要應用快速晶體管以外,還受其它電路影響所限制,如電壓和電流的快速改變,在開關電路中產(chǎn)生擴大的諧波譜線,造成無線電頻率干擾,電源的輻射。對變壓器磁芯來說,提高工作頻率則要求改進高頻磁芯損耗。圖1中N67材料(西門子公司)比N27材料有更低的磁芯損耗,允許更大的磁通密度偏移ΔB,因而變壓器可傳輸更大的功率。圖2示出磁芯損耗與頻率的關系。磁芯總損耗PL與工作頻率f及工作磁通密度B的關系由下式表示:
PL=KfmBnVe (2)
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式中,n是Steinmetz指數(shù),對功率鐵氧體來說,典型值是2.5;指數(shù)m=1~1.3(當磁損耗單純地由磁滯損耗引起時,m=1;當f=10~100kHz時,m=1.3;當f>100kHz時,m將隨頻率增高而增大,見圖2,這個額外損耗是由于渦流損耗或剩余損耗引起的)。很明顯,對于高頻運行的鐵氧體材料,要努力減小m值。
4 工作磁通密度
變壓器工作磁通密度(可允許磁通密度偏移)受兩方面限制:首先是受磁芯損耗引起的可允許溫升△θFe的限制;另一方面,也受鐵氧體材料飽和磁通密度值的限制。
對單端正向型變壓器,工作磁通密度△B=Bm-Br;對推挽式變壓器,工作磁通密度△B=2Bm。
根據(jù)(2)式,當工作磁通密度提高時,磁芯損耗將以2.5次方指數(shù)上升,從而造成變壓器溫升,因此設計的工作磁通密度首先受磁芯溫升值限制,其關系式為
當計算出的磁通密度值較高時,△B還應受磁芯材料可允許磁通密度偏移△Badm(此值與材料高溫下Bs值相對應)所限制。
在這里,必須注意對不等截面磁芯(如E型磁芯),在最小橫截面Amin處有較高的磁通密度。為避免磁芯飽和,還必須按下式計算:
由(3)、(4)式所得到的最小磁密偏移值,即為可允許的變壓器工作磁通密度值。
5 材料性能因子
由鐵氧體磁芯制成的變壓器,其通過功率直接正比于工作頻率f和最大可允許磁通密度Bmax的乘積((1)式)。很明顯,對傳輸相同功率來說,高的(f Bmax)乘積允許小的磁芯體積;反之,相同磁芯尺寸的變壓器,采用高(f Bmax)的鐵氧體材料,可傳輸更大的功率。我們將此乘積稱為“性能因子”(PF),這是與鐵氧體材料有關的參數(shù),良好的高頻功率鐵氧體顯示出高的(fBmax)值。圖3示出德國西門子公司幾種鐵氧體材料的性能因子(PF)與頻率的關系,功率損耗密度定為300mW/cm3(100℃),可用來度量可能的通過功率??梢钥吹?,經(jīng)改進過的H49i材料在900kHz時達到最大的(f Bmax)為3700HzT,比原來生產(chǎn)的H49材料有更高的值,而N59材料則可使用到f=1MHz以上頻率。
為了得到最佳的功率傳輸,變壓器溫升通常分為二個相等的部分:磁芯損耗引起的溫升△θFe和銅損引起的溫升△θCu。關于磁芯總損耗與溫升的關系如圖5所示。對相同尺寸的磁芯(RM14磁芯),采用不同的鐵氧體材料(熱阻系數(shù)不同),其溫升值是不同的,其中N67材料有比其它材料更低的熱阻。于是,磁芯溫升與磁芯總損耗的關系可用下式表示:
△θFe =Rth·P Fe (5)
式中,Rth即為熱阻,定義為每瓦特總消散時規(guī)定熱點處的溫升(K/W)。鐵氧體材料的熱傳導系數(shù),磁芯尺寸及形狀對熱阻有影響,并可用下述經(jīng)驗公式來表示:
7 磁芯總損耗
軟磁鐵氧體磁芯總損耗通常是由三部分構成的:磁滯損耗Ph,渦流損耗Pe和剩余損耗Pr。每種損耗產(chǎn)生的頻率范圍是不同的。磁滯損耗正比于直流磁滯回線的面積,并與頻率成線性關系,即
渦流損耗Pe可用下式表示:
Pe=Cef2B2/ρ
式中,Ce是尺寸常數(shù),ρ是在測量頻率f時的電阻率。
最近發(fā)現(xiàn),當電源變壓器磁芯工作在達MHz頻率時,剩余損耗已占支配地位,采用細晶粒鐵氧體已成功地縮小了此損耗的貢獻。對MnZn鐵氧體來說,在MHz頻率出現(xiàn)鐵磁諧振,形成了鐵氧體的損耗。最近有人提出[5],當鐵氧體的磁導率μi隨晶粒尺寸減小而降低時,Snoek定律仍是有效的,也就是說,細晶粒材料顯示出高的諧振頻率,因此可用于更高頻率。另外,對晶粒尺寸小到納米級的鐵氧體材料研究表明,在此頻段還應考慮晶粒內疇壁損耗。