軟磁鐵氧體材料常用在高頻變壓器、電感、脈沖變壓器以及PFC中的升壓電感中,在PD電源適配器充電器中是一種非常重要的元件。但是,我們不能十分有把握地掌握磁性材料的特性,以及這種特性與溫度、頻率、氣隙等的依賴性和不易測量性。在選擇鐵氧體時,它不像其他電子元件那樣可以測量,它的具體參數、特性曲線在顯示測量儀器上也不是一目了然。為什么高頻變壓器、電感器要自己設計呢?因為所涉及的參數太多,例如電壓、電流、溫度、頻率、電感量、變比、漏感、磁性材料參數、銅耗、鐵損、交流磁場強度、交流磁感應強度、真空磁導率、矯頑力等十幾種參量。設計開發人員對高頻變壓器的設計制作,是PD電源適配器充電器設計制作的頭等重要任務。想要生產廠商為用戶設計、生產出現成產品是非常困難的。鐵氧體受到的影響因素多,元器件選用以及電路板上元器件的布置和走線的方式等對此都有影響。對于鐵氧體磁心的顏色、繞組的屏蔽是否合適,散熱處理是否得當……,設計工程師不可能完全無誤地為用戶生產出好產品。
總之,即使生產商有現貨供應,而且也介紹了磁性元件的特性、參數及使用條件等,用戶也無法挑選磁性材料。因此,最好的辦法是委托設計加工。在設計高頻變壓器時,必須正確選擇磁心材料的特性、形狀以及外形尺寸,若選用不當,就會增加損耗、降低效率,嚴重時輸出功率達不到設計要求,甚至不能工作。
一.磁性元件在PD電源適配器充電器中的作用:
磁性元件在電源變換中是必需的器件,廣泛用于高頻振蕩變壓器、低通濾波電感、電源輸出平波電抗器,還有有源功率因數校正升壓電感,所有這些作用功能,對變換器的性能質量起著至關重要的作用。當磁心用于變壓器時,它起的作用為:
1. 電磁耦合。傳遞電能,有了磁心,電能傳輸暢通。
2. 實施電氣隔離。變壓器的一次電壓和二次電壓是不同電位的電壓,有了它,保證PD電源適配器充電器在變換器中的安全,起著高低電壓隔離的目的。
3. 按使用需要,改變變壓器電壓比,達到電壓升降。
4. 由于磁性元件作用,變壓器二次大電流整流經過移相,使二次電流輸出紋波電壓減少。抑制尖峰電壓,保護開關管免受沖擊電流而損壞,所以常說,磁性變壓器有限流作用。
5. 電源適配器PD充電器的電子開關,通過充電放電向變壓器二次側不停地傳輸電能,在這過程中是由于它具有儲能,才能釋能,儲能的大小與磁性元件的飽和磁感應強度以及初始磁導率成正比的。另外,由于變壓器的一次和二次側存在有電感,很方便的與電路電容構成諧振,諧振波一方面傳遞電能,改變電流或電壓的方向,向負載輸出,另一方面也改變電壓的等級。所有這些,都是磁性元件在變換過程中所起的作用。但是磁性元件的工況性能是不易完全掌握的,它不像其他電子元件那樣容易測量選擇,繁瑣的技術數據,分散性、易變性很大的參數,將使制造商挑選者無從下手。因此,只能通過生產實驗、科學設計,才能發揮磁性元件最大的作用功能。
二.磁性材料的基本特征
前面已敘述,各種磁心材料結構外形雖然相似,但磁心的性能、特性參數卻相差甚遠。電源適配器PD充電器的磁心都是運行在低磁場高頻率環境條件下的軟磁鐵氧體材料,這種磁性材料具有矯頑力低、電阻率高和磁導率高的基本特點。這就意味著,流過變壓器繞組的勵磁電流會產生較高的磁感應強度,因此,在一定輸出功率條件下,可以極大地降低磁心的體積。矯頑力低,磁心的磁滯回環面積就小,這樣鐵損低。同樣,電陰率高、渦流不,鐵損也低。但磁性材料的電阻率高,適合用在頻率高的航空航天領域里。
1. 磁場強度H與磁感應強度B。磁場強度是表示磁場強弱與方向的一個物理量,其單位為安/米(A/m)。磁感應強度是表示磁場作用于磁性物質上的作用力的大小,其單位為特(T)。溫度越高,磁感應強度越低。
2. 飽和磁感應強度: 磁心在磁場的作用下,當磁場強度H增加時,磁主出現飽和時的B值,稱為飽和磁感應強度Bs。
3. 初始磁導率:磁性材料在磁化曲線上的始端磁化率的最大值。
4. 有效磁導率:磁心在閉合磁路中,磁心的導磁能力。
5. 居里溫度:磁心的磁狀態由鐵磁性轉為順磁性時,在u-T曲線上,磁導率最大值的80%與最大值的20%的連線根磁導率等于1的直線的交點相對應的溫度稱為居里溫度。
6. 矯頑力:磁心從飽和狀態除去磁場后繼續反向磁化,直到磁感應強度減小到零,此時的磁場強度稱為矯頑力(保磁力)。
7. 磁通:磁感應強度與垂直于磁場方向的面積的乘積叫磁通。
8. 磁感應強度:單位面積是那個所通過磁通的大小叫做磁感應強度(也稱為磁通密度)。
飽和磁性材料具有良好的開關特性,如用在高頻振蕩電路里,可以產生優良的振蕩波形,這種磁性材料具有近似矩形的磁滯回線。這種磁滯回線有明顯的飽和點和飽和斷,而且它的上下有良好的對稱性。近似矩形的磁滯回線在執行脈沖電信號傳遞時,可使繞組中的電流脈沖波形的前沿陡峭,后沿拖尾短小,能完整的傳遞各種波形電信號。如果磁心的S矩形曲線在B方向向下被壓扁或是向上被拉伸,這種形變曲線的磁心用在PD電源適配器充電器的高頻變壓器上或是用在電子鎮流器的脈沖變壓器上,將會嚴重影響變壓器的振蕩波形,產生信號失真、頻率失調、導致開關功率管溫度上升,變壓器的鐵損和銅損加劇,這對于PD電源適配器的質量極為不利。
矩形磁滯回線是飽和磁性材料一種特殊的曲線。磁滯回線的形狀非常重要,在選用磁心時,將被看作是一項重要選用磁心的依據,只有用高頻鐵氧體磁心特性曲線測試儀方可測出。