​常用磁学量单位换算,开关电源设计中最常用的几大计算公式汇总

陌涼城北 2020-07-11 14:40:44

常用磁学量单位换算


磁学单位是物理中最复杂最没有规律也是最难弄懂的,希望对大家有所帮助。


​常用磁学量单位换算,开关电源设计中最常用的几大计算公式汇总

​常用磁学量单位换算,开关电源设计中最常用的几大计算公式汇总

永磁材料:永磁材料被外加磁场磁化后磁性不消失,可对外部空间提供稳定磁场。钕铁硼永磁体常用的衡量指标有以下四种:


剩磁(Br)单位为特斯拉(T)和高斯(Gs) 1Gs =0.0001T


将一个磁体在闭路环境下被外磁场充磁到技术饱和后撤消外磁场,此时磁体表现的磁感应强度我们称之为剩磁。它表示磁体所能提供的最大的磁通值。从退磁曲线上可见,它对应于气隙为零时的情况,故在实际磁路中磁体的磁感应强度都小于剩磁。钕铁硼是现今发现的Br最高的实用永磁材料。


磁感矫顽力(Hcb)单位是安/米(A/m)和奥斯特(Oe)或1 Oe≈79.6A/m


处于技术饱和磁化后的磁体在被反向充磁时,使磁感应强度降为零所需反向磁场强度的值称之为磁感矫顽力(Hcb)。但此时磁体的磁化强度并不为零,只是所加的反向磁场与磁体的磁化强度作用相互抵消。(对外磁感应强度表现为零)此时若撤消外磁场,磁体仍具有一定的磁性能。钕铁硼的矫顽力一般是11000Oe以上。


内禀矫顽力(Hcj)单位是安/米(A/m)和奥斯特(Oe)1 Oe≈79.6A/m


使磁体的磁化强度降为零所需施加的反向磁场强度,我们称之为内禀矫顽力。内禀矫顽力是衡量磁体抗退磁能力的一个物理量,如果外加的磁场等于磁体的内禀矫顽力,磁体的磁性将会基本消除。钕铁硼的Hcj会随着温度的升高而降低所以需要工作在高温环境下时应该选择高Hcj的牌号。


磁能积(BH)单位为焦/米3(J/m3)或高奥(GOe) 1 MGOe≈7. 96k J/m3


退磁曲线上任何一点的B和H的乘积既BH我们称为磁能积,而B×H的最大值称之为最大磁能积(BH)max。磁能积是恒量磁体所储存能量大小的重要参数之一,(BH)max越大说明磁体蕴含的磁能量越大。设计磁路时要尽可能使磁体的工作点处在最大磁能积所对应的B和H附近。


各向同性磁体:任何方向磁性能都相同的磁体。


各向异性磁体:不同方向上磁性能会有不同;且存在一个方向,在该方向取向时所得磁性能最高的磁体。烧结钕铁硼永磁体是各向异性磁体。


取向方向:各向异性的磁体能获得最佳磁性能的方向称为磁体的取向方向。也称作 “取向轴”,“易磁化轴”。


磁场强度:指空间某处磁场的大小,用H表示,它的单位是安/米(A/m)。


磁化强度:指材料内部单位体积的磁矩矢量和,用M表示,单位是安/米(A/m)。


磁感应强度:磁感应强度B的定义是:B=μ0(H+M),其中H和M分别是磁化强度和磁场强度,而μ0是真空导磁率。磁感应强度又称为磁通密度,即单位面积内的磁通量。单位是特斯拉(T)。


磁通:给定面积内的总磁感应强度。当磁感应强度B均匀分布于磁体表面A时,磁通Φ的一般算式为Φ =B×A。磁通的SI单位是麦克斯韦。


相对磁导率:媒介磁导率相对于真空磁导率的比值,即μr = μ/μo。在CGS单位制中,μo=1。另外,空气的相对磁导率在实际使用中往往值取为1,另外铜、铝和不锈钢材料的相对磁导率也近似为1。


磁导:磁通Φ与磁动势F的比值,类似于电路中的电导。是反映材料导磁能力的一个物理量。


磁导系数Pc :又为退磁系数,在退磁曲线上,磁感应强度Bd与磁场强度Hd的比率,即Pc =Bd/Hd,磁导系数可用来估计各种条件下的磁通值。对于孤立磁体Pc只与磁体的尺寸有关,退磁曲线和Pc线的交点就是磁体的工作点,Pc越大磁体工作点越高,越不容易被退磁。一般情况下对于一个孤立磁体取向长度相对越大Pc越大。因此Pc是永磁磁路设计中的一个重要的物理量。


开关电源设计中最常用的几大计算公式汇总


对于单极性开关变压器,由于磁芯工作于磁滞回线的半区,所以磁芯损耗约为双极性开关变压器的一半。变压器总损耗为总铜耗与磁芯损耗之和。

MOSFET开关管工作的最大占空比Dmax:


​常用磁学量单位换算,开关电源设计中最常用的几大计算公式汇总


式中:Vor为副边折射到原边的反射电压,当输入为AC 220V时反射电压为135V;VminDC为整流后的最低直流电压;VDS为MOSFET功率管导通时D与S极间电压,一般取10V。


变压器原边绕组电流峰值IPK为:


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式中:η为变压器的转换效率;Po为输出额定功率,单位为W。


变压器原边电感量LP:


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式中:Ts为开关管的周期(s);LP单位为H。


变压器的气隙lg:


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式中:Ae为磁芯的有效截面积(cm2);△B为磁芯工作磁感应强度变化值(T);Lp单位取H,IPK单位取A,lg单位为mm。


变压器磁芯


反激式变换器功率通常较小,一般选用铁氧体磁芯作为变压器磁芯,其功率容量AP为


​常用磁学量单位换算,开关电源设计中最常用的几大计算公式汇总


式中:AQ为磁芯窗口面积,单位为cm2;Ae为磁芯的有效截面积,单位为cm2;Po是变压器的标称输出功率,单位为W;fs为开关管的开关频率;Bm为磁芯最大磁感应强度,单位为T;δ为线圈导线的电流密度,通常取200~300A/cm2,η是变压器的转换效率;Km为窗口填充系数,一般为0.2~0.4;KC为磁芯的填充系数,对于铁氧体为1.0。


根据求得的AP值选择余量稍大的磁芯,一般尽量选择窗口长宽之比较大的磁芯,这样磁芯的窗口有效使用系数较高,同时可以减少漏感。


变压器原边匝数NP:


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式中:△B为磁芯工作磁感应强度变化值(T),Ae单位为cm2,Ts单位为s。


变压器副边匝数Ns:


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式中:VD为变压器二次侧整流二极管导通的正向压降。


功率开关管的选择


开关管的最小电压应力UDS


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一般选择DS间击穿电压应比式(9)计算值稍大的MOSFET功率管。


绕组电阻值R:


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式中:MUT为平均每匝导线长度(cm);N为导线匝数;


为20℃时导线每cm的电阻值(μΩ)。


绕组铜耗PCU为:


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原、副边绕组电阻值可通过求绕组电阻值R的公式求出,当求原边绕组铜耗时,电流用原边峰值电流IPK来计算;求副边绕组铜耗时,电流用输出电流Io来计算。


磁芯损耗


磁芯损耗取决于工作频率、工作磁感应强度、电路工作状态和所选用的磁芯材料的性能。对于双极性开关变压器,磁芯损耗PC:


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式中:Pb为在工作频率、工作磁感应强度下单位质量的磁芯损耗(W/kg); Gc为磁芯质量(Kg)。


对于单极性开关变压器,由于磁芯工作于磁滞回线的半区,所以磁芯损耗约为双极性开关变压器的一半。变压器总损耗为总铜耗与磁芯损耗之和。


来源:湖南省永逸科技,

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