电子器件基础提纲.

从实用的磁学观点看，物质可分为抗磁性、顺磁性、反铁磁性、铁磁性和亚铁磁性五类材料。其中前三种材料|x|→0，因此一般不能算作磁性材料，而铁磁性材料|x|可达101～106量级，一般为Fe、Co、Ni及一些稀土金属磁性材料。亚铁磁性材料|x|可达101～104量级，一般为铁氧体材料（磁性陶瓷材料）。具有铁磁性和亚铁磁性的材料才能算真正的磁性材料。磁性材料分类常用磁性材料软磁硬磁金属软磁：包括硅钢片、坡莫合金等，特点是磁导率和Bs大，居里温度高，电阻率小。非晶/纳米晶软磁：包括Co基/Fe基非晶/纳米晶材料，特点是磁导率和Bs大，居里温度高，电阻率较小，但价格昂贵。铁氧体软磁：主要包括尖晶石系和六角晶系铁氧体，特点是磁导率和Bs不太高，居里温度较低，但电阻率高，价格较低，特别适合中高频使用。铁粉芯软磁：将金属软磁与有机介质复合，具有Bs大，电阻率高，不易饱和等特点，但磁导率不高，特别适合于差模扼流圈。稀土合金硬磁：包括烧结稀土硬磁和粘结稀土硬磁。铁氧体硬磁：主要为六角晶系Ba铁氧体。铁氧体旋磁：主要包括尖晶石系、石榴石系和六角晶系旋磁。旋磁矩磁、压磁•起始磁导率：如果材料从退磁状态开始，受到对称的交变磁场的反复磁化，当这种交流磁场趋近于零时所得到磁导率。•振幅磁导率：如果交变磁场的振幅较大，振幅B比上振幅H所得到的磁导率。•增量磁导率：有偏置磁场作用时的磁导率。•有效磁导率：磁芯开气隙时的磁导率。HBHi00lim1HBa01三、磁性材料的磁导率§1.2磁性材料的线性特性一般在外磁场H很小时，B与H保持线性关系，此时磁导率为起始磁导率。一、影响起始磁导率μi的因素对μi贡献包括畴壁的可逆位移和磁畴矢量的可逆转动。二、提高起始磁导率的途径提高材料的饱和磁化强度降低磁晶各向异性常数和磁滞伸缩系数减少杂质和内应力3/2120]23[ssiKDM改善微观结构1、晶粒大，均匀；没有气孔、杂质及其它缺陷；2、在晶粒内部不出现另相，所有非磁性析出物或气孔只能集中在晶界附近；3、晶粒内部有良好的化学均匀性；三、环境温度、工作时间及应力影响前两者分别用温度系数和减落系数来衡量，希望其值越小越好。而应力主要通过引起磁至伸缩系数λ使μi改变，一般也希望应力越小越好。铁氧体磁导率随温度的变化示意图静态磁化由于不需要考虑磁化的时间问题，在一定大小的外磁场H作用下，铁磁体内便产生相应大小的磁感应强度B或磁化强度M，所以本征静态磁特性磁导率μ为实数，损耗只有磁滞损耗。磁滞回线§1.5磁性材料的损耗在交变磁场下，铁磁体内的B和H均随时间而变化，它们之间不仅有振幅的大小关系，还有相位关系，因此须采用复数磁导率来同时反映两者振幅和相位的关系。即而用来代表交变场下磁芯的损耗，此值与磁导率有关因此，用比损耗系数来反映材料相对损耗的大小。'ssj'ssmtg'mtg在静态磁化时，损耗只有磁滞损耗，磁滞回线称为静态磁滞回线，单位体积的材料每磁化一周的磁损耗等于磁滞回线的面积。在交流情况下，损耗不仅有磁滞损耗，还有涡流损耗与剩余损耗，此时的磁滞回线称为动态磁滞回线。由于在交流情况下，磁芯的磁滞损耗高于相应的静态情况下的磁滞损耗，因此动态磁滞回线面积大于相应的静态磁滞回线，且其形状和大小也随交变磁场的大小和频率的变化而变化。•磁滞损耗－可通过降低材料剩磁Br和矫顽力Hc来降低。•涡流损耗－可通过提高材料电阻率ρ及减小片状材料厚度d来降低。•剩余损耗－可通过①减小扩散离子浓度，抑制离子扩散的产生来降低，对于铁氧体材料而言，则是尽量减小铁氧体中Fe2＋含量或生成；②在工艺和成分配制上进行控制，使铁氧体在应用频率和工作温度范围内避开损耗最大值。串并联等效模式：对于一般磁性材料制作的磁芯线圈，分布电容往往可以忽略，而等效电阻又比等效电抗小得多，所以串联电路的模式更符合于客观情况；而对于在高频下使用的某些特殊的磁芯和变压器，分布电容已不能忽略，这时采用并联电路模式更符合实际情况。一些电磁参数的相互转化：对于一绕组匝数为N，有效长度为le，有效截面为Ae的环形磁芯，有以下公式满足：eHlNIeBAeeelANIHANINL200电感UANBdtdBNAdtdNee2ˆ~elNIjHjHB)()('0'00同时，在交变电流下tjmeIIIjeIjdtdItim.IjljANdtdIlNjNAdtdBNAdtdNeeeeee1)()(~'02'0一、从材料的磁性参数转换成器件的电气参数（学会各参数之间的转化和计算）定义磁势：定义磁阻：定义磁导：HlNIFFReeelANLLNNNIFRG021INL第二章磁芯与绕组§2.1磁芯的等效参数对于环形磁芯来说，从内向外，半径r逐渐增大，因此磁场H逐渐减小。一、磁芯的有效尺寸把一个实际的磁芯等效成一个具有有效面积为Ae，有效长度为le，均匀磁化的理想磁芯（即该磁芯上各点的H相同）rNIlNIH2r1r2rHH1H2对于实际磁芯，通过截面为dA的磁通dφ为：所以，通过截面为A的总磁通量为：根据彼德生关系可得dAlNIHdAd00ldANI0Haa1110][211100ldANIaldAaNI而相应的理想磁芯的磁通量为：要使实际磁环和理想磁环等效，两者的磁通应该相等，即有：而][2111000'eeeeeelANIalAaNIlANIldAlAee22ldAlAee12ln2221rrhrhdrldAlArree)11(4)2(21222221rrhrhdrldAlArree2112211)(lnrrrrhAe211211ln2rrrrlehr1r2rdr联立上式可解出Ae和le来。二、气隙对于磁芯的磁阻和有效磁导率的影响设气隙的长度为lg，截面积为Ag，则llAdldlHNI0.egeggAllAlNINL20egegglAllAlNIAdlNI00而故有可见，磁芯开气隙以后，磁导率变为有效磁导率，有效磁导率不仅与材料的起始磁导率有关，还与缝隙的大小有很大的关系。eeelANL20egeggeeeAllAlAl一步等效二步等效实际磁芯，具有外径r1，内径r2，高h，气隙lg以及材料磁导率μ等参数等效成理想磁环，具有等效截面Ae，等效长度le，气隙lg以及材料磁导率μ等参数等效成无气隙的理想磁环，具有等效截面Ae，等效长度le以及有效磁导率μe等参数根据上式还可推出表明磁芯有效磁导率的相对变化率比材料磁导率的相对变化率缩小了一个因子通常称为稀释因子。三、气隙对磁芯的磁滞回线或磁化曲线的影响)11(eu)11(eeeuddHB正常B-H回线剪切后的B-H回线由于气隙引起的退磁场，使作用于磁芯的实际磁场降低为达到相同的B，就需要更大的外磁场H。从而使磁滞回线或磁化曲线的斜率减小。四、气隙对磁性损耗的影响因为外加电压不变，根据公式则当频率不变时，开不开隙，磁感应强度B不变。而磁损耗和B及f相关，因此开隙后磁芯的功率损耗密度并不发生变化，但开隙后体积降低，故总损耗降低。§2.2短气隙磁芯的特性一、气隙的磁位：2ˆNABUee气隙材料＋ldHldHF..§2.4磁芯的形状及特性任何磁性器件都是由磁芯加绕组一起构成，虽然不同的磁性器件在设计和应用时有不同的特征和技术要求，但对于所有的磁性器件而言，其所采用的磁芯和绕组都具有一些共性的东西。就现在得到广泛使用的磁芯来说。可以有两种分类的方法，其一是根据组成磁芯的部分来分。如果一块材料就构成了一个完整的磁芯，这样的磁芯称为单一磁芯。如我们常见的环形磁芯，双孔磁芯、棒状磁芯等。常见单一磁芯如下图所示：如果磁芯必须要又两块或两块以上的材料（绝大部分都是由两块构成）组合构成的话，这样的磁芯称为组合磁芯。如我们常见的E型磁芯、罐形磁芯、EP型磁芯等等。常见组合磁芯如下图所示：E型磁芯罐型磁芯相比于单一磁芯，组合磁芯最大的好处是绕线方便。一般组合磁芯在应用时都会配一个相应尺寸的塑料骨架，绕线时可以借助自动绕线机将绕组直接绕制在骨架上，这样可以大大提高绕线的效率以及一致性。然后再将绕好线的骨架嵌入到组合磁芯中并固定好，即可构成磁性器件。组合磁芯及其骨架示意当磁芯由组合构成时，由于在接触面上会产生气隙和退磁场，因此磁芯的有效磁导率相比磁芯材料的磁导率会有下降。下降的程度示气隙的大小而定。对于不希望有效磁导率下降的组合磁芯，可以对组合磁芯的所有接触面都进行抛处理，以尽可能的降低气隙的大小。此外，如果根据磁芯的形状，即磁力线的路径来分，磁芯又可以分为开路磁芯和闭路磁芯两大类型。工字磁芯棒状磁芯第一类为开路磁芯，这种磁芯的磁路是开路的，通过磁芯的磁感应强度同时要通过周围空间才能形成闭合回路。常见的开路磁芯包括棒状磁芯、工型磁芯。开路磁芯的有效磁导率决定于磁芯材料和磁芯尺寸比。第二类为闭合磁芯，这类磁芯的磁路是闭合的，或基本上是闭合的（组合磁芯如果没有刻意开大的气隙，也认为是闭合磁芯），磁感应强度在磁芯内形成闭合回路。环型磁芯E型磁芯§2.7绕组直流电阻和交流损耗1、直流电阻的计算，注意Rd/L与匝数无关如果有初次两个绕组，两绕组所占面积相当时绕组损耗最小。2、绕组中的交流损耗包括集肤效应和邻近效应引起的涡流损耗可通过用多股相互搓捻的细导线代替单股导线的方式降低交流损耗主电流主电流主电流主电流圆柱形导体内集肤效应示意圆柱形导体内临近效应示意图在螺旋式路径中邻近效应抵消的示意图§3.2磁芯的最佳几何形状设计一个高Q的电感器，不仅要设法降低铁氧体磁芯的损耗，而且要使磁芯具有合理的尺寸，以保证在一定的应用条件下，绕组的直流电阻与电感量的比值最小绕组的直流电阻为awwcwcdFAlNdNlR224电感的计算式为eeelANL20eewewaceeawewcdAAllFAFAllLR00LRd/为了提高电感器的品质因数，希望在满足感量的前提下绕组的电阻越小越好，因此优值越小越好。的比值应越小越好。一般又把这个比值称为优值§3.3匝数因子α与电感因子AL对于一定尺寸的磁芯，可以用匝数因子α或电感因子AL来表示电感量和匝数的关系。α指要得到1mH电感量所需要的匝数。AL指对于一个给定的磁芯，每平方匝数所具有的电感量。L=ALN2一般实际应用中都是采用电感因子来计算电感量。22020.NANlAlANLLeeeeeeeeeLlAA0§3.5电感量的稳定性由于电感主要是由磁芯的有效磁导率决定，故电感量的稳定性也由有效磁导率的稳定性决定。开气隙的磁芯有效磁导率的稳定性高于相应磁芯材料磁导率的稳定性。§3.6引起能量损耗的机构总损耗包括：绕组损耗（铜损）和磁芯损耗（铁损）铜损又包括：直流电阻损耗和交流损耗铁损包括：磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗此外还有少量杂散电容引起的损耗第四章低功率线性变压器磁芯主要功能：升降电流电压；为电子电路提供阻抗匹配；实现电气隔离。主要特点：由于在应用的系统中信号的电平较低，大多数此类变压器磁芯都工作在弱磁场下，因此称为低功率。此外变压器所传输的能量是分布在较宽的频谱范围内，要求在传输这些宽频带信号过程中不产生波形失真，因此又称为线性。由于变压器有升降压的功能，因此不能用此式来表示变压器所引起的损耗，为此，引入了有效损耗Ae的概念。Ae为电源与负载之间接入理想变压器时的负载电压与接入网络后的负载电压之比：当信号源阻抗与网络的输入阻抗之间失配时，会将部分外加功率反射回信号源，可由反射损耗来衡量反射功率的程度：际变压器后的负载电压电源与负载之间接入实想变压器时的负载电压电源与负载之间接入理lg20eAababababaaaarRRRRRRRRER