1第二讲高频功率磁性材料特性与应用第二讲高频功率磁性材料特性与应用主讲：陈为主讲：陈为博士福州大学电气工程与自动化学院 教授，博导中国电源学会常务理事、磁技术专业委员会主任委员博士福州大学电气工程与自动化学院 教授，博导中国电源学会常务理事、磁技术专业委员会主任委员功率变换器磁元件技术系列讲座 2016.10.29 南京 功率变换器中的软磁材料功率变换器中的软磁材料 磁性材料基本电气特性磁性材料基本电气特性 磁性材料损耗特性磁性材料损耗特性 磁性材料的性能评价指标磁性材料的性能评价指标 磁性材料的组合应用技术磁性材料的组合应用技术主要内容主要内容1第二讲高频功率磁性材料特性与应用第二讲高频功率磁性材料特性与应用主讲：陈为主讲：陈为博士福州大学电气工程与自动化学院 教授，博导中国电源学会常务理事、磁技术专业委员会主任委员博士福州大学电气工程与自动化学院 教授，博导中国电源学会常务理事、磁技术专业委员会主任委员功率变换器磁元件技术系列讲座 2016.10.29 南京 功率变换器中的软磁材料功率变换器中的软磁材料 磁性材料基本电气特性磁性材料基本电气特性 磁性材料损耗特性磁性材料损耗特性 磁性材料的性能评价指标磁性材料的性能评价指标 磁性材料的组合应用技术磁性材料的组合应用技术主要内容主要内容2cHcH易磁化易磁化(磁导率大磁导率大)，易退磁，易退磁(矫顽力矫顽力Hc小小)，磁滞回线呈窄斜长形： 用于构成导磁通路 用于变压器、电感器中的磁芯。难磁化，磁滞回线呈窄斜长形： 用于构成导磁通路 用于变压器、电感器中的磁芯。难磁化(磁导率小磁导率小)，难退磁，难退磁(矫顽力矫顽力Hc大大)，磁滞回线呈矩形： 用于产生直流磁场 磁电式电表、扬声器和永磁电机中永磁铁，产生直流预偏磁。，磁滞回线呈矩形： 用于产生直流磁场 磁电式电表、扬声器和永磁电机中永磁铁，产生直流预偏磁。易磁化易磁化(磁导率大磁导率大)，易退磁，易退磁(矫顽力矫顽力Hc小小)，磁滞回线是窄长矩形： 用于两态记忆以及磁开关 磁鼓，磁放大器，磁开关。，磁滞回线是窄长矩形： 用于两态记忆以及磁开关 磁鼓，磁放大器，磁开关。BHBHcHcHBHcHcH软磁材料硬磁材料矩磁材料软磁材料硬磁材料矩磁材料磁性材料的分类磁性材料的分类初始磁导率： 001HiHB 增量磁导率：DCHHB 01 幅值磁导率：HB a10复数磁导率：sssj 软磁材料的电磁参数软磁材料的电磁参数cHcHHrBmBsBB饱和磁密：剩磁磁密：sBrBiaBHHBHB2cHcH易磁化易磁化(磁导率大磁导率大)，易退磁，易退磁(矫顽力矫顽力Hc小小)，磁滞回线呈窄斜长形： 用于构成导磁通路 用于变压器、电感器中的磁芯。难磁化，磁滞回线呈窄斜长形： 用于构成导磁通路 用于变压器、电感器中的磁芯。难磁化(磁导率小磁导率小)，难退磁，难退磁(矫顽力矫顽力Hc大大)，磁滞回线呈矩形： 用于产生直流磁场 磁电式电表、扬声器和永磁电机中永磁铁，产生直流预偏磁。，磁滞回线呈矩形： 用于产生直流磁场 磁电式电表、扬声器和永磁电机中永磁铁，产生直流预偏磁。易磁化易磁化(磁导率大磁导率大)，易退磁，易退磁(矫顽力矫顽力Hc小小)，磁滞回线是窄长矩形： 用于两态记忆以及磁开关 磁鼓，磁放大器，磁开关。，磁滞回线是窄长矩形： 用于两态记忆以及磁开关 磁鼓，磁放大器，磁开关。BHBHcHcHBHcHcH软磁材料硬磁材料矩磁材料软磁材料硬磁材料矩磁材料磁性材料的分类磁性材料的分类初始磁导率： 001HiHB 增量磁导率：DCHHB 01 幅值磁导率：HB a10复数磁导率：sssj 软磁材料的电磁参数软磁材料的电磁参数cHcHHrBmBsBB饱和磁密：剩磁磁密：sBrBiaBHHBHB3直流偏 置源LCR表BdcHB BaHB各类电感测量仪器各类电感测量仪器幅值电感/磁导率增量电感/磁导率LCR表阻抗分析仪BdcHB初始磁导率B-H 分析仪交流次特 性测量仪Complex permeability with fsInitial permeability with TIncremental permeability with HDCFerrite 3F3 FrequencyDC biasTemperature软磁材料的基本电磁特性软磁材料的基本电磁特性3直流偏 置源LCR表BdcHB BaHB各类电感测量仪器各类电感测量仪器幅值电感/磁导率增量电感/磁导率LCR表阻抗分析仪BdcHB初始磁导率B-H 分析仪交流次特 性测量仪Complex permeability with fsInitial permeability with TIncremental permeability with HDCFerrite 3F3 FrequencyDC biasTemperature软磁材料的基本电磁特性软磁材料的基本电磁特性4i(f)(Hdc)a(B)BrBs软磁材料的电气参数应用软磁材料的电气参数应用SRDMCD2ACMCPFCLTX滤波器电感变压器电感器滤波器电感变压器电感器输出滤波电感PFC电感逆变电感CM滤波电感DM滤波电感磁性材料的磁芯损耗磁性材料的磁芯损耗HB baindtuiP)(baeedtdtdBNANlH)()(baeedBHlAuiabcdecboutdtuiP)(cbeedBHlA 磁滞损耗大小取决于铁磁材料本身的品质磁滞损耗大小取决于铁磁材料本身的品质 磁滞损耗大小与激磁工作频率成正比磁滞损耗大小与激磁工作频率成正比 磁滞损耗大小与磁通密度大小的平方成正比磁滞损耗大小与磁通密度大小的平方成正比222 2AeleBfPddyeAele 涡流损耗大小取决于铁磁材料本身的电导率涡流损耗大小取决于铁磁材料本身的电导率 涡流损耗大小与激磁工作频率的平方成正比涡流损耗大小与激磁工作频率的平方成正比 涡流损耗大小与磁通密度大小的平方成正比涡流损耗大小与磁通密度大小的平方成正比 磁滞损耗磁滞损耗 涡流损耗涡流损耗4i(f)(Hdc)a(B)BrBs软磁材料的电气参数应用软磁材料的电气参数应用SRDMCD2ACMCPFCLTX滤波器电感变压器电感器滤波器电感变压器电感器输出滤波电感PFC电感逆变电感CM滤波电感DM滤波电感磁性材料的磁芯损耗磁性材料的磁芯损耗HB baindtuiP)(baeedtdtdBNANlH)()(baeedBHlAuiabcdecboutdtuiP)(cbeedBHlA 磁滞损耗大小取决于铁磁材料本身的品质磁滞损耗大小取决于铁磁材料本身的品质 磁滞损耗大小与激磁工作频率成正比磁滞损耗大小与激磁工作频率成正比 磁滞损耗大小与磁通密度大小的平方成正比磁滞损耗大小与磁通密度大小的平方成正比222 2AeleBfPddyeAele 涡流损耗大小取决于铁磁材料本身的电导率涡流损耗大小取决于铁磁材料本身的电导率 涡流损耗大小与激磁工作频率的平方成正比涡流损耗大小与激磁工作频率的平方成正比 涡流损耗大小与磁通密度大小的平方成正比涡流损耗大小与磁通密度大小的平方成正比 磁滞损耗磁滞损耗 涡流损耗涡流损耗5磁芯损耗基本模型磁芯损耗基本模型-Steinmetz模型模型)(2 210TCTCCBfKPsCV损耗 vs. 温度损耗 vs. 频率f，磁密B损耗 vs. 温度损耗 vs. 频率f，磁密B高频磁件损耗特性测量高频磁件损耗特性测量)(tgII UU PP 高频率和阻抗角对损耗精度影响很大高频率和阻抗角对损耗精度影响很大VLVLHBHBVL实际励 磁波形交流功率计法实际励 磁波形交流功率计法对称PWM不对称PWMPFC/逆变正弦( )PUItgtfPUI 5磁芯损耗基本模型磁芯损耗基本模型-Steinmetz模型模型)(2 210TCTCCBfKPsCV损耗 vs. 温度损耗 vs. 频率f，磁密B损耗 vs. 温度损耗 vs. 频率f，磁密B高频磁件损耗特性测量高频磁件损耗特性测量)(tgII UU PP 高频率和阻抗角对损耗精度影响很大高频率和阻抗角对损耗精度影响很大VLVLHBHBVL实际励 磁波形交流功率计法实际励 磁波形交流功率计法对称PWM不对称PWMPFC/逆变正弦( )PUItgtfPUI 6磁芯损耗的影响因素磁芯损耗的影响因素磁芯损耗与如下因素有关:磁芯损耗与如下因素有关: 材料材质； 工作频率 f； 交流磁密 Bac； 工作温度 T； 直流偏磁磁密 Bdc； 励磁波形 D。0t0.5(T-2 )T0.5TT- UmImv(t)v(t)B(t)B(t)功率变换器常见励磁波形 温度对铁氧体磁芯损耗有很大影响温度对铁氧体磁芯损耗有很大影响 磁芯温度设计点是很重要的磁芯温度设计点是很重要的不稳定区域不稳定区域稳定区域稳定区域铁氧体磁材料损耗的温度特性铁氧体磁材料损耗的温度特性6磁芯损耗的影响因素磁芯损耗的影响因素磁芯损耗与如下因素有关:磁芯损耗与如下因素有关: 材料材质； 工作频率 f； 交流磁密 Bac； 工作温度 T； 直流偏磁磁密 Bdc； 励磁波形 D。0t0.5(T-2 )T0.5TT- UmImv(t)v(t)B(t)B(t)功率变换器常见励磁波形 温度对铁氧体磁芯损耗有很大影响温度对铁氧体磁芯损耗有很大影响 磁芯温度设计点是很重要的磁芯温度设计点是很重要的不稳定区域不稳定区域稳定区域稳定区域铁氧体磁材料损耗的温度特性铁氧体磁材料损耗的温度特性7 磁元件损耗特性对变换器效率和节能规范具有重要影响磁元件损耗特性对变换器效率和节能规范具有重要影响 磁芯温升的不均匀可能导致磁芯开裂磁芯温升的不均匀可能导致磁芯开裂铁氧体损耗温度特性的应用铁氧体损耗温度特性的应用磁芯损耗磁芯损耗I0绕组损耗绕组损耗I2效率效率%功率功率散热好，温升低散热差，温升高00.10.20.30.4012345678910kf D( )D TwdtdtdB BBB2minmax)(1加权平均变化率：eqwfBBBsin_2minmaxsin_2)( kkkkk arbwttBB BBB12 1minmax_)( )(1wBkkkkk eqttBBBBf12minmax1 2sin_1)(2 2 sin_2224( )(| ( )|)eqTTfv tdtv tdt)(1 sin_ aceqscvBfkfPuB脉宽调制波形激励下的磁芯损耗脉宽调制波形激励下的磁芯损耗uBor, acscvBfKP)(1 acsscvBfKfPSIN 励磁功率PWM 励磁功率tv(t)PWM (D=0.5)PWM (D=0.25) Sinusoidal单位周期损耗sin_ 2211()1eqPWMfkffDD对对PWM波波7 磁元件损耗特性对变换器效率和节能规范具有重要影响磁元件损耗特性对变换器效率和节能规范具有重要影响 磁芯温升的不均匀可能导致磁芯开裂磁芯温升的不均匀可能导致磁芯开裂铁氧体损耗温度特性的应用铁氧体损耗温度特性的应用磁芯损耗磁芯损耗I0绕组损耗绕组损耗I2效率效率%功率功率散热好，温升低散热差，温升高00.10.20.30.4012345678910kf D( )D TwdtdtdB BBB2minma