现代电力电子技术课件Chapter7

第5章磁性元件与电容元件7.1磁性材料的基本特征7.2磁性材料中磁芯的三种不同工作状态7.3磁性器件在功率电路使用中注意的问题7.4电容元件1://www.ccnb120.com、中频、高频变压器驱动变压器；隔离变换器；电流互感器直流滤波电感；交流滤波电感；储能电感；谐振电感；EMI抑制电感2磁性元器件—电感器和变压器表征磁性元件的大多数参数(电感量，电压、电流处理能力，频率，匝比，漏感，损耗)对制造商是无所适从的。所以很难从市场上购得标准的磁性元器件，电源设计工作的大部分就是磁性元件的设计。对磁性元器件理解与设计能力是目前电力电子工程师的必备能力之一37.1磁学基础4MagneticfieldHandmagnetomotiveforceF7.1磁学基础5FluxdensityBandtotalfluxΦ7.1磁学基础67.1磁学基础7BS:饱和磁感应强度Br:剩余磁感应强度Hc:矫顽力基本磁化曲线7.1磁学基础8二、相对磁导率µr7.1磁学基础一、绝对磁导率µ越大表明产生相同磁感应强度所需激磁H越小。真空：µ＝µ0＝410-7H/m三、等效磁导率µe9最大磁导率µmμr值是随磁场强度变化的曲线。在某一磁场强度下，相对磁导率达到最大值，称为最大磁导率μm。初始磁导率µi当激励磁场强度H→0时的磁导率称为初始磁导率μi：7.1磁学基础10增量磁导率µ∆在一个直流磁场上叠加一个交流磁场时，交流分量的磁导率即为增量磁导率µ∆。7.1磁学基础11磁导率7.1磁学基础12磁导率7.1磁学基础13等效磁导率μe(磁路加气隙后的磁导率)7.1磁学基础14有效磁导率μe(磁路加气隙后的磁导率)根据全电流定律有磁芯磁通密度Bc=Bδ气隙磁通密度等效磁导率μe7.1磁学基础15有效磁导率μe(磁路加气隙后的磁导率)合成磁化曲线的线性度比材料磁化曲线好得多。也就是说磁芯材料特性的非线性被磁阻大得多的线性气隙“湮没”了。而且可通过改变气隙的大小，方便地改变磁芯的有效磁导率。其次，由于气隙的去磁作用，磁芯的剩磁感应(Br)大大下降了，这个性能对单向磁化应用非常有用。7.1磁学基础16磁性材料的损耗铜损：集肤效应铁损：磁滞损耗和涡流损耗磁滞回线包括的面积越大，损耗越大材料的电阻率越大，损耗越大；工作频率越高，损耗越大7.1磁学基础177.2电力电子电路中磁芯的三种典型工作状态Ⅰ类工作状态－局部磁化（Buck变换器滤波电感磁芯）187.2磁芯的三种不同工作状态Ⅰ类工作状态－局部磁化（Buck变换器滤波电感磁芯）这类磁芯工作状态称为Ⅰ类工作状态，也称为直流滤波电感工作状态。属于这类工作状态的电感还有Boost电感、Boost/Buck电感、正激、非对称半桥以及所有推挽拓扑－推挽、半桥和全桥变换器输出滤波电感磁芯，以及单端反激变换器的电感—变压器磁芯。197.2磁芯的三种不同工作状态Ⅰ类工作状态－局部磁化特点1.工作在电流连续状态下,直流偏磁大,交流分量小,工作于局部磁化曲线上,磁芯的磁导率是局部(增量)磁导率。由于只包围局部磁滞回线面积小，磁滞和涡流损耗都小。因此选择尽可能高的饱和磁通密度材料，有利于减少这类磁芯的体积。2.由于含有较大的直流分量，因此在磁芯中产生很大的磁场强度H，为了不使磁芯饱和，磁芯的磁导率不应当太高，即采用宽恒磁导率材料。如果采用高磁导率的磁芯，通过在磁路中添加气隙减少磁导率，这时的磁导率为有效磁导率μe，并可通过气隙的大小改变有效磁导率。207.2磁芯的三种不同工作状态Ⅱ类工作状态－单向磁化（正激变换器变压器）217.2磁性材料中磁芯的三种不同工作状态Ⅱ类工作状态－单向磁化（正激变换器变压器）这类磁芯工作状态与滤波电感磁芯相似，都是单向磁化。不同之处在于当晶体管导通时，正激变压器磁芯从零磁场强度单方向磁化到磁感应最大值；当晶体管截止时，磁芯恢复到零磁场强度对应的磁感应值。如果不能回到导通时的磁芯初始磁化值，磁芯将逐渐磁化到±BS。磁芯工作磁化曲线如图5-5(c)所示。这类磁芯工作状态称为Ⅱ类工作状态或正激工作状态。属于这类工作磁芯状态的除了正激变换器的功率变压器外，还有脉冲驱动变压器，直流脉冲电流互感器等。227.2磁芯的三种不同工作状态Ⅱ类工作状态－单向磁化特点(1)磁芯工作在磁化曲线的第一象限－单向磁化。磁芯工作在饱和磁感应Bs和剩磁感应Br之间，ΔB=Bm-Br。(2)磁化电流从零开始，不参与能量传输，并在晶体管截止时，还要将其返回电源。如果此电流大，由此引起的线圈铜损和晶体管损耗就大。因此，应当尽可能采用剩磁感应小，而高磁导率的材料，减少磁化电流。在功率变换器中，为减少变压器的体积，在损耗允许的情况下尽量选择较高的磁通密度。变压器磁芯常留有一个很小气隙，使得Br大大降低，以增大磁感应摆幅。尽管激磁电流有所增加，但提高了ΔBm，减少磁芯体积。总之，这类磁芯应选择高有效磁导率µe，高Bs，低Br材料。237.2磁芯的三种不同工作状态Ⅲ类工作状态－双向磁化（推挽型、全桥变换器变压器）247.2磁芯的三种不同工作状态Ⅲ类工作状态－双向磁化（推挽型、全桥变换器变压器）257.2磁芯的三种不同工作状态Ⅲ类工作状态－双向磁化（推挽型、全桥变换器变压器）267.2磁芯的三种不同工作状态Ⅲ类工作状态－双向磁化（推挽型、全桥变换器变压器）277.2磁芯的三种不同工作状态Ⅲ类工作状态－双向磁化特点(1)磁芯的磁感应在±Bm变化，在半周期内变化2Bm。在损耗允许的情况（低频）下，一般取BmBS。磁芯材料的饱和磁感应越高，Bm取值越高，磁芯的体积较小。(2)因为磁芯双向磁化，每个周期磁芯沿整个磁化曲线磁化一次，频率越高，磁芯损耗越大。尤其工作于高频时，除了磁滞损耗，磁芯涡流损耗随频率和磁感应强度增加而指数增加，限制了Bm的取值。即在高频时，为了使磁芯温度不超过允许值，由允许的磁芯损耗决定磁芯的允许磁感应值，Bm值一般远小于BS。因此高频时，Ⅲ类与Ⅱ类工作状态磁芯尺寸差别不大。对于大多数材料，在高频100kHz）应用时饱和磁感应强度高低是无关紧要的。287.2磁芯的三种不同工作状态Ⅲ类工作状态－双向磁化特点(1)磁芯的磁感应在±Bm变化，在半周期内变化2Bm。在损耗允许的情况（低频）下，一般取BmBS。磁芯材料的饱和磁感应越高，Bm取值越高，磁芯的体积较小。(2)因为磁芯双向磁化，每个周期磁芯沿整个磁化曲线磁化一次，频率越高，磁芯损耗越大。尤其工作于高频时，除了磁滞损耗，磁芯涡流损耗随频率和磁感应强度增加而指数增加，限制了Bm的取值。即在高频时，为了使磁芯温度不超过允许值，由允许的磁芯损耗决定磁芯的允许磁感应值，Bm值一般远小于BS。因此高频时，Ⅲ类与Ⅱ类工作状态磁芯尺寸差别不大。对于大多数材料，在高频（100kHz）应用时饱和磁感应强度高低是无关紧要的。(3)对于工作在Ⅲ类的磁芯材料应具有高电阻率ρ，低的Br或HC，或两者都小，以及高的饱和磁感应BS。此外，为了减少磁芯存储能量，磁芯应当具有尽可能高μ。297.3磁性器件在功率电路使用中注意的问题(1)磁导率要高(2)要求具有很小的矫顽力Hc和狭窄的磁滞回线(3)电阻率ρ要高(4)具有较高的饱和磁感应强度BS考虑温度特性307.4电容元件功率电路中的电容元件作用：储能要求：1.容量大2.承受电压高3.最大充放电电流317.4电容元件特点：工作在高频状态；不止一个频率符号高频等效电路327.4电容元件等效阻抗：22()cLCZRZZf阻抗特性ZCXLX阻性337.4电容元件一个常用的方法：大电容并小电容470uF0.1uF无感电容347.4电容元件电子电路中电容的功能：隔直，耦合，旁路，滤波，调谐回路，能量转换，控制电路等方面标称容量以及允许偏差：目前我国采用的固定式标称容量系列是：E24，E12,E6系列。他们分别使用的允许偏差是+-5%+-10%+-20%。电容的频率特性：随着频率的上升，一般电容器的电容量呈现下降的规律。电容器的击穿电压：电容器正常漏导的稳定状态被破坏的电压。357.4电容元件电容器的绝缘电阻：直流电压加在电容上，并产生漏导电流，两者之比称为绝缘电阻。当电容较小时，主要取决于电容的表面状态，容量〉0.1uf时，主要取决于介质的性能。电容的时间常数：为恰当的评价大容量电容的绝缘情况而引入了时间常数，他等于电容的绝缘电阻与容量的乘积。电容的损耗因素：电容在电场作用下因发热所消耗的能量叫做损耗。各类电容都规定了其在某频率范围内的损耗允许值，电容的损耗主要由介质损耗，电导损耗和电容所有金属部分的电阻所引起的。36