磁性材料以及变压器的设计,主要说三种,一是硅钢片构成的工频变压器,一种铁硅铝铁粉芯磁环,还有一种是锰锌镍锌材料构成的磁环。三种应用于不同场合,其中硅钢片主要用于工频变压器,因为u值在1.5k附近,适中,bsat值大,达1.5t,因此抗磁饱和强度。铁硅铝铁粉芯材料u值低,一般在百附近,b值相对硅钢片小,但是比高导材料(锰芯镍锌)大很多,主要用于直流分量大的场合。比如用于buck连续电流电路。而锰芯镍锌磁导率很高,最高最达10k,因此耦合性很好,主要用于小信号耦合传输。比如驱动信号以及电压电流采样。这种材料主要绕几匝就能满足感量要求以及合适的激励电流。
说说变压器的设计
首先我们知道变压器是一个激励电感和理想变压器构成,当然还有初次级漏感。但我们可以先假设漏感忽略不记。那么变压器主要参数就是激励电流和匝数了,也就是磁动势。这直接和b值有关。其他条件不变下,ni越大,b值越大,越容易磁饱和。那么好了,现在讨论下ni值怎么取才能让b值处在一个安全的范围内。
相信大家知道b=uh,这是定义出来的,u就是磁导率,就是b与h的比值,u不是常数,但是在小h下b与h成线性关系(一般材料),而h=kni,k是比例常数,n是匝数,i是激励电流。那好了,如果要减小b值就得减小ni乘积(同一磁环)。激励电流i是和电感量成反比的。如果增大电感量则激励流会下降,但是n就得增大,否则电感量如何上升。我们知道电感量又和n^2成正比,l∝n*n?μ。而u=li/t,把l值代进去得u∝n*n?μ?i/t。所以
b=μh=kμni=k(μnut)/(n^2*μ)=kut/n
由此式可知b∝1/n。所以增大n就能减小b值,所以理论上我们最好让n值无穷大,这样b不容易饱和,但是实际情况总有个度,首先就是我们的变压器功率。
因为我们总要输出一定功率,否则变压器就失去了作用。既然要输出功率那么肯定有一的电流过绕线,若取得很细,则线压降很大,线损很大。若线取得粗则磁环大小限制,不能绕下那么多绕线,所以匝数就有限。除非增大磁环。当然我们不必要取b值太小,否则磁环利用率低,所以我们要取个平衡值。
因此变压器设计首先考虑功率输出,然后确定需要多大的导线。线径确定后就开始选择磁环大小。根据磁环大小来得到一个合适的l值,在该值下算出i,然后乘以n,看是否超出b值,若超出则增大n,直到b值在一定范围内,假如线绕不下则换体积更大的磁环。下面验证为什么不增大导率减少n以用小体积磁环得到大功率输出。
同一磁环不同n下b值趋势:
由上面推导知道b1/b2=n2/n1。所以增大一倍匝数,则b值减少一半。
①相同形状l相同ur不同下。首先l值不变,因此i值也不变。高μ值下必然得减少n值以保持l不变,所以由l∝n^2*μ知,
n1^2*μ1=n2^2*μ2,
所以μ1/μ2=(n2/n1)^2。
所以n2=(√μ1/μ2)*n1。
由b=kμh得(k是比例常数,由磁环形状决定),当形状一样时k相同。b2/b1=√(μ2/μ1)。所以μ值增大两倍则b值增大√2倍。所以虽然增大μ值能减小n,但是付出的代价确是b值更加趋于饱和状态。
对于buck电路,磁环上的绕线纯粹是充当电感,所以流过多少就是多少激励电流。因此buck电路一般很少用高磁导率的磁环,而且假如有直流分量的话最好用铁硅铝或粉芯,首先他们磁导率低,第二b值大,不容易磁饱和。第三工作频率能上几十khz。又因为硅钢片不适合高频,所以buck很少使用硅钢片做磁环。
总结一下
能增大n尽量增大n,能用低μ值尽量用低μ值。前提是保证耦合性好。同一磁环增大n则减少b,不同磁环相同l,μ值大,则b值大。
l计算公式:
l=[4n^2(d?d)?h*10^(-7)*μ]/(d+d)=4n^2*h(1-2d/(d+d))?10^(-7)?μ
