從新認識磁性材料與變壓器——信平變壓器

磁性材料以及變壓器設計

昨天開會討論了磁性材料以及變壓器的設計，主要說幾種 一是硅鋼片構成的工頻變壓器，一種鐵鋁粉芯磁環還有種是錳芯鎳鋅材料構成的磁環。三不同應用於場合其中硅鋼片主要用於工頻變壓器，因為 U值在1.5K附近， 適中，Bsat值大，達1.5T，因此抗磁飽和強度。鐵硅鋁粉芯材料U值低，一般在百附近，B值相對硅鋼片小，但是比高導材料（錳芯鎳鋅）大很多，主要用於直流分量大的場合。比如用於BUCK連續電流電路。而錳芯鎳鋅磁導率很高，最高最達10K ，因此耦合性很好，主要用於小信號耦合傳輸。比如驅動信號以及電壓電流採樣。這種材料主要繞幾匝就能滿足感量要求以及合適的激勵電流。

下面說說變壓器設計，首先我們知道變壓器是一個激勵電感和理想變壓器構成，當然還有初次級漏感。但我們可以先假設漏感忽略不記。那麼變壓器主要參數就是激勵電流和匝數了，也就是磁動勢。這直接和B值有關。其他條件不變下，NI越大，B值越大，越容易磁飽和。那麼好了，現在討論下 NI 值怎麼取才能讓B值處在一個安全的範圍內。

首先我們知道 B=UH，這是定義出來的，U就是磁導率，就是B與H的比值，U不是常數，但是在小H下 B與H成線性關係（一般材料）,而H=KNI，K是比例常數，N是匝數，I是激勵電流。那好了，如果要減小 B值就得減小NI乘積（同一磁環）。激勵電流I是和電感量成反比的。如果增大電感量則激勵流會下降，但是N就得增大，否則電感量如何上升。我們知道電感量又和N^2成正比,L∝N*N?μ。所以

所以理論上我們最好讓N值無窮大，這樣B不容易飽和，但是實際情況總有個度,首先就是我們的變壓器功率。因為我們總要輸出一定功率，否則變壓器就失去了作用。既然要輸出功率那麼肯定有一的電流過繞線，若取得很細，則線壓降很大，線損很大。若線取得粗則磁環大小限制，不能繞下那麼多繞線，所以匝數就有限。除非增大磁環。當然我們不必要取 B值太小，否則磁環利用率低。 所以我們要取個平衡值。因此變壓器設計首先考慮功率輸出，然後確定需要多大的導線。線徑確定後就開始選擇磁環大小。根據磁環大小來得到一個合適的L值，在該值下算出I，然後乘以N，看是否超出B值，若超出則增大N，直到B值在一定範圍內， 假如線繞不下則換體積更大的磁環。下面驗證為什麼不增大導率減少N以用小體積磁環得到大功率輸出。

同一磁環不同N下B值趨勢：

所以增大一倍匝數，所以增大一倍匝數，則B值減少一半。

相同形狀L不同Ur下。首先L值不變，因此I值也不變。高μ值下必然得減少N值以保持L不變，所以由 L∝N^2* N^2*μ知，

N1^2*μ1=N2^2*μ2，

由 B=KμH得（K是比例常數，由磁環形狀決定），當形狀一樣時K相同 。所以μ值增大兩倍則B值增大√2倍。所以雖然增大μ值能減小N，但是付出的代價確是B值更加趨於飽和狀態。

對於BUCK電路，磁環上的繞線純粹是充當電感，所以流過多少就是多少激勵電流。因此BUCK電路一般很少用高磁導率的磁環，而且假如有直流分量的話最好用鐵硅鋁或粉芯，首先他們磁導率低，第二B值大， 不容易磁飽和。第三工作頻率能上幾十KHZ。又因為硅鋼片不適合高頻，所以BUCK很少使用硅鋼片做磁環。

總結：能增大N盡量增大N，能用低μ值盡量用低μ值。前提是保證 。前提是保證耦合性好。同一磁環增大N則減少B，不同磁環一L ，μ值大，則B值大。

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