高频电源变压器磁芯的设计原理-综合文档
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2021-05-24
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高频电源变压器磁芯的设计原理
摘要：开关电源正向高频化发展，作为主变压器使用的软磁铁氧体磁芯，从材料性能、尺寸形状
等均应作相应改进。本文讨论了磁芯设计中应考虑的通过功率、性能因子、热阻系数等参数，并
提出了降低材料高频损耗的微观设计方法。
1．引言
电子信息产业的迅速发展，对高频开关式电源不断提出新的要求。据报导，全球开关电源市
场规模已超过 100 亿美元。通信、计算机和消费电子是开关电源的三大主力市场。庞大的开关
电源市场主要由 AC/DC 和 DC/DC 开关电源两部分组成。据预测，AC/DC 开关电源全球销售收
入将从 1999 年的 91 亿美元增加到 2004 年的 122 亿美元，年平均增长率为 5.9%。低功率的
AC/DC（0～300W）将面向增长平衡的消费电子和计算机市场；大功率的 AC/DC 电源（750～
1500W）将面向增长强劲的电信市场。DC/DC 电源约占整个开关电源市场的 30%，但计算机
与通信技术的快速融合，带动了 DC/DC 模块式电源的迅速增长，预计今后几年，DC/DC 电源模
块增长速度将超过 AC/DC 电源，如有人估计，中国今后五年，DC/DC 电源模块市场年增长将达
15%，增长主要是在电信部门。开关式电源技术发展趋势是高密度、高效率、低噪声，以及表面
贴装化。无论是 AC/DC 或 DC/DC 电源，除了功率晶体管外，由软磁铁氧体磁芯制成的主变压
器、扼流圈及其它电感器（如抗噪声滤波器）是极重要的元件，其磁性能和尺寸直接关系到电源
的转换效率和功率密度等。在变压器设计中，主要包括绕组设计和磁芯设计。本文拟重点讨论涉
及主要变压器磁芯设计中应考虑的通过功率、性能因子、热阻等参数，并对降低磁芯总损耗提出
了材料微观设计应考虑的方法。
2．电源变压器磁芯性能要求及材料分类
为了满足开关电源提高效率和减小尺寸重量的要求，需要一种高磁通密度和高频低损耗的变
压器磁芯。虽然有高性能的非晶态软磁合金竞争，但从性能价格比考虑，软磁铁氧体材料仍是最
佳的选择；特别在 100kHz 到 1MHz 的高频领域，新的低损耗的高频功率铁氧体材料，更有其
独特的优势。为了最大程度地利用磁芯，对于较大功率运行条件下的软磁铁氧体材料，在高温工
作范围（如 80～100℃），应是有以下最主要的磁特性：
（1）高的饱和磁通密度或高的原振幅磁导率。这样变压器磁芯在规定频率下允许有一个大的磁
通偏移，其结果可减少匝数；这也有利于铁氧体的高频应用，因为截止频率正比于饱和磁化。
（2）在工作频率范围有低的磁芯总损耗。在给定温升条件下，低的磁芯损耗将允许有高的通过
功率。
附带的要求则还有高的居里点，高的电阻率，良好的机械强度等。
新发布的“软磁铁氧体材料分类”行业标准（等同 IEC1332-1995），将高磁通密度应用的功率
铁氧体材料分为五类，见表 1。每类铁氧体材料除了对振幅磁导率和功率损耗提出要求外，还提
出了“性能因子”参数（该参数将在下面进一步叙述）。从 PW1～PW5 类别，其适用工作频率是
逐步提高的，如 PW1 材料，适用频率为 15～100kHz，主要应用于回扫变压器磁芯；PW2 材
料，适用频率为 25～200kHz，主要应用于开关电源变压器磁芯；PW3 材料，适用频率为 100
～300kHz；PW4 材料适用频率为 300kHz～1MHz；PW5 材料适用频率为 1～3MHz。现在国
内已能生产相当于 PW1～PW3 材料，PW4 材料只能小量试生产，PW5 材料尚有待开发。
3．变压器可传输功率
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