6 热阻
为了得到最佳的功率传输,变压器温升通常分为二个相等的部分:磁芯损耗引起的温升△θFe和铜损引起的温升△θCu。关于磁芯总损耗与温升的关系如图5所示。对相同尺寸的磁芯(RM14磁芯),采用不同的铁氧体材料(热阻系数不同),其温升值是不同的,其中N67材料有比其它材料更低的热阻。于是,磁芯温升与磁芯总损耗的关系可用下式表示:
△θFe =Rth·P Fe (5)
式中,Rth即为热阻,定义为每瓦特总消散时规定热点处的温升(K/W)。铁氧体材料的热传导系数,磁芯尺寸及形状对热阻有影响,并可用下述经验公式来表示[4]:
式中,S为磁芯表面积;d为磁芯尺寸;α为表面热传导系数;λ为磁芯内部热传导系数。由(6)式可见,对电源变压器用的铁氧体材料,必须具有低的功率损耗和高的热传导系数。实际测量表明,图5所示的N67材料显示高的热导性。从微观结构考虑,高的烧结密度,均匀的晶粒结构,以及晶界里有足够的Ca浓度的材料,将具有高的热导性。图6示出不同磁芯形状、尺寸、重量m对变压器热阻的影响。从磁芯尺寸、形状考虑,较大磁芯尺寸具有低的热阻,其中ETD磁芯具有优良的热阻特性;另外无中心孔的RM磁芯(RM14 A)显示出比有中心孔磁芯(RM14B)更低的热阻。
对高频电源变压器磁芯,磁芯设计时应尽量增加暴露表面,如扩大背部和外翼,或制成宽而薄的形状(如低矮形RM磁芯,PQ型磁芯等),均可降低热阻,提高通过功率。
7 磁芯总损耗
软磁铁氧体磁芯总损耗通常是由三部分构成的:磁滞损耗Ph,涡流损耗Pe和剩余损耗Pr。每种损耗产生的频率范围是不同的。磁滞损耗正比于直流磁滞回线的面积,并与频率成线性关系,即:
量的直流磁滞回线的等值能。对于工作在频率100kHz以下的功率铁氧体磁芯,降低磁滞损耗是最重要的。为降低损耗,要选择铁氧体成分使材料具有最小矫顽力Hc和最小各向异性常数K,理想情况是各向异性补偿点(即K≈0)位于变压器工作温度(约80~100℃)。
另外,此成分应有低的磁致伸缩常数λ,工艺上要避免内外应力和夹杂物。采用大而均匀的晶粒是有利的,因为Hc∝D-1(D是晶粒尺寸)。
涡流损耗Pe可用下式表示:
Pe=Cef2B2/ρ
式中,Ce是尺寸常数,ρ是在测量频率f时的电阻率。
随着开关电源小型化和工作频率的提高,由于Pe∝f 2,因而降低涡流损耗对高频电源变压器更为重要。随着频率提高,涡流损耗在总损耗中所占比例逐步增大,当工作频率达200~500kHz时,涡流损耗常常已占支配地位。这从图7所示的R2KB1材料磁芯总损耗(包括磁滞和涡流损耗)与频率f关系实测曲线,可得到证明。减小涡流损耗主要是提高多晶铁氧体的电阻率。从材料微观结构考虑,应有均匀的小晶粒,以及高电阻率的晶界和晶粒。因为小晶粒具有最大晶界表面而增大电阻率,而在材料中添加CaO+SiO2或者Nb2O5、ZrO2和Ta2O5均对增高电阻率有益。
最近发现,当电源变压器磁芯工作在达MHz频率时,剩余损耗已占支配地位,采用细晶粒铁氧体已成功地缩小了此损耗的贡献。对MnZn铁氧体来说,在MHz频率出现铁磁谐振,形成了铁氧体的损耗。最近有人提出[5],当铁氧体的磁导率μi随晶粒尺寸减小而降低时,Snoek定律仍是有效的,也就是说,细晶粒材料显示出高的谐振频率,因此可用于更高频率。另外,对晶粒尺寸小到纳米级的铁氧体材料研究表明,在此频段还应考虑晶粒内畴壁损耗。