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开关电源中磁芯损耗计算的研讨 旷建军 华侨大学电气工程系，泉州 362021 Email ：kuangjianjun@yeah.net 摘 要：磁性元件的损耗在开关电源中占相当大的比例，因此磁芯损耗的计算在开关电源设计中相当重 要。 文中首先介绍了计算磁芯损耗的 Steinmetz 模型，然后对频率、温度、非正弦励磁、直流偏置对磁芯损 耗的影响进行了回顾。讨论了在上述情况下，如何扩展应用计算磁芯损耗的 Steinmetz 模型。最后，指出当前 研究中存在的问题及今后应开展的工作。 关键词：磁芯损耗，铁氧体，磁性元件，开关电源 1．引言 磁性元件是开关电源设备中的重要元件，它对开关电源设备的体积、效率有很大影响。在高频 下，磁性元件损耗占整机的比重很大。因此对磁性元件的损耗进行相关研究是十分重要的。 磁芯损耗与磁性材料特性和工作频率等密切相关。在交流磁化过程中，磁芯损耗功率(Pv) 由磁 滞损耗(P ) 、涡流损耗(P )和剩余损耗(P )组成。磁滞损耗(P )是磁性材料在磁化过程中，磁畴要克 h e c h 服磁畴壁的摩擦而损失的能量，这部分损失最终使磁芯发热而消耗掉。单位体积磁芯损耗的能量正 比于磁滞回线包围的面积。每磁化一个周期，就要损耗与磁滞回线包围面积成正比的能量，所以可 以得出：磁滞曲线面积越小，磁滞损耗就越小；频率越高，损耗功率越大。涡流损耗(Pe)是因磁芯 材料的电阻率不是无限大，有一定的电阻值，在高频时还是会由于激磁磁场在磁芯中产生涡流而导 致损耗。剩余损耗(Pc)是由于磁化弛豫效应或磁性滞后效应引起的损耗。所谓弛豫是指在磁化或反 磁化的过程中，磁化状态并不是随磁化强度的变化而立即变化到它的最终状态，而是需要一个过程， 这个‘时间效应’便是引起剩余损耗的原因。本文对高频下磁芯损耗的计算进行了研讨。 2 ．磁芯损耗的经典计算方法 前面对磁芯损耗的构成进行了分析，磁芯损耗功率(P ) 由磁滞损耗(P ) 、涡流损耗(P )和剩余损 v h e 耗(Pc)组成： P P +P +P (1) h e c 对于软磁铁氧体，文献[1]分别给出了正弦波形激励下 P ，P ，P 的计算模型，但并不适合工 h e c 程上的应用。在一个世纪以前 Steinmetz 总结出一个实用于工程计算磁芯损耗的经验公式： P C ⋅f α ⋅Bβ (2) v m 这个公式表明单位体积的损耗 Pv 是重复磁化频率和磁通密度的指数函数。Cm ，α和β 是经验 参数，两个指数都可以不为整数，一般的 1α3 和 2β3 。对于不同的材质，生产厂家一般会给 出其相应的一套参数，但公式和参数仅仅适用于正弦的磁化情况，这是该经验公式应用于开关电源 领域的一个主要缺陷。 3 ．Steinmetz 经验公式的应用与调整 3.1 频率和温度的影响 借助 Steinmetz 模型计算磁损在工程上的应用十分广泛，然而该模型的参数随频率变化，也就 是说用来反映频率和最大磁感应强度与磁损关系的幂指数 α和β 的拟合值在不同频率时是不同的， 同时温度对磁芯损耗的影响也很大。 图１给出了飞利浦公司的 3F3 材料单位体积损耗和温度的关系。既然磁芯损耗随温度的变化 而变化，那么计算公式就应该考虑温度的影响。但式(2) 中没有明显体现温度影响的参数。为此， 一些产商在 Steinmetz 经验公式的基础上进行改