高频磁性器件

第1章 磁性器件基础

1.1 引言

1.2 磁场物理量的关系

1.2.1 磁动势

1.2.2 磁场强度

1.2.3 磁通

1.2.4 磁通密度

1.2.5 磁链

1.3 磁路

1.3.1 磁阻

1.3.2 磁基尔霍夫电压定律

1.3.3 磁通连续性定律

1.4 磁性定律

1.4.1 安培定律

1.4.2 法拉第定律

1.4.3 楞次定律

1.4.4 欧姆定律

1.4.5 麦克斯韦方程组

1.4.6 良导体的麦克斯韦方程组

1.4.7 坡印廷矢量

1.4.8 焦耳定律

1.5 涡流

1.6 磁芯饱和

1.6.1 正弦波电压作用下的电感器磁芯饱和

1.6.2 方波电压作用下的电感器磁芯饱和

1.6.3 矩形波电压作用下的电感器磁芯饱和

1.7 伏秒平衡原则

1.8 电感

1.8.1 电感的定义

1.8.2 螺线管的电感

1.8.3 环形磁芯电感器的电感

1.8.4 罐形磁芯电感器的电感

1.8.5 气隙

1.8.6 边缘磁通

1.8.7 带状传输线电感

1.8.8 同轴电缆电感

1.8.9 平行双导传输线电感

1.9 电感系数

1.10 磁场能量

1.11 自谐振频率

1.12 磁性器件的功耗分类

1.13 非感应线圈

1.14 总结

1.15 参考文献

1.16 复习题

1.17 习题

第2章 磁芯

2.1 引言

2.2 磁芯材料的性能

2.3 磁偶极子

2.4 磁畴

2.5 居里温度

2.6 磁化强度

2.7 磁性材料

2.7.1 铁磁性材料

2.7.2 反铁磁性材料

2.7.3 亚铁磁性材料

2.7.4 抗铁磁性材料

2.7.5 顺磁性材料

2.8 磁滞

2.9 磁芯的磁导率

2.10 磁芯的几何形状

2.11 铁合金磁芯

2.12 非晶态合金磁芯

2.13 镍铁和钴铁磁芯

2.14 铁氧体磁芯

2.15 磁粉芯

2.16 纳米晶磁芯

2.17 超导体

2.18 磁芯的磁滞损耗

2.19 磁芯的涡流损耗

2.20 磁芯的总损耗

2.20.1 正弦电流作用的电感器的总损耗

2.20.2 磁芯的等效串联电阻

2.20.3 非正弦电流作用下的电感器磁芯损耗

2.20.4 磁芯的冷却

2.21复数磁导率

2.21.1 磁芯的串联复数磁导率

2.21.2 磁芯的并联复数磁导率

2.22 总结

2.23 参考文献

2.24 复习题

2.25 习题

第3章 趋肤效应

3.1 引言

3.2 趋肤深度

3.3 绕组的交、直流电阻比

3.4 单根长圆导体的趋肤效应

3.5 单根圆导体的电流密度

3.5.1 贝塞尔微分方程

3.5.2 电流密度j（r）/j（0）

3.5.3 电流密度j（r）/j（r0）

3.5.4 电流密度j（r）/jdc

3.5.5 圆导体的近似电流密度

3.6 圆导体的阻抗

3.6.1 电阻和电感的准确表达式

3.6.2 圆导体的近似电阻与电感

3.6.3 圆导体电阻的简化推导

3.7 圆导体的磁场强度

3.8 求解圆导线电感的其他方法

3.9 圆导体的功率密度

3.10矩形导体的趋肤效应

3.10.1 矩形导体的磁场

3.10.2 矩形导体的电流密度

3.10.3 矩形导体的功耗

3.10.4 矩形导体的阻抗

3.11 总结

3.12 参考文献

3.13 复习题

3.14 习题

第4章 邻近效应

4.1 引言

4.1.1 两平行圆导体间的邻近效应

4.1.2 同轴电缆的邻近效应

4.2 通反向电流的两平行板间的趋肤和邻近效应

4.2.1 两平行板间的磁场

4.2.2 两平行板间的电流密度

4.2.3 两平行板的功耗

4.2.4 每个导电板的阻抗

4.3 通同向电流的两平行板间的反邻近效应和趋肤效应

4.3.1 两平行板间的磁场

4.3.2 两平行板的电流密度

4.3.3 两平行板的功耗

4.4 多层绕组电感的邻近效应

4.5 总结

4.6 附录：邻近效应功耗的推导

4.7 参考文献

4.8 复习题

4.9 习题

第5章 高频绕阻

5.1 引言

5.2 绕阻

5.2.1 多层箔片电感器中的磁场强度和电流密度

5.2.2 绕组的功率损耗

5.2.3 dowell方程

5.2.4 dowell方程的近似解

5.3 方形和圆形导体

5.4 矩形导体绕组的电阻

5.4.1 普适方程

5.4.2 矩形导体的最佳高度

5.5 方形导线绕组的电阻

5.5.1 普适方程

5.5.2 方形导体的最佳高度

5.6 圆形导线绕组的电阻

5.6.1 普适方程

5.6.2 圆形导线的最佳直径

5.7 漏电感

5.8 在柱坐标中对圆形导线绕组的求解

5.9 利兹线

5.10谐波电流下电感器绕组的能量损耗

5.10.1 连续导电模式下pwm直流－直流功率转化器中铜导线的损耗

5.10.2 非连续导电模式下pwm直流直流功率转化器中铜导线的功率损耗

5.11 非正弦电流作用时绕组的有效电阻

5.12 电感器的热模型

5.13 总结

5.14 参考文献

5.15 思考题

5.16 习题

第6章 叠片磁芯

6.1 引言

6.2 低频解

6.3 通用解

6.3.1 高频磁场分布

6.3.2 高频功耗密度分布

6.3.3 高频时叠片的阻抗

6.4 总结

6.5 参考文献

6.6 复习题

6.7 习题

第7章 变压器

7.1 引言

7.2 理想变压器

7.3 变压器中的电压极性和电流方向

7.4 非理想变压器

7.5 互感的黎曼（neumann）公式

7.6 互感

7.7 耦合系数

7.8 同名端法则

7.9 耦合电感的顺接与反接串联

7.10 反射阻抗

7.11 耦合电感的存储能量

7.12 磁化电感

7.13 漏感

7.14 具有气隙的变压器

7.15 自耦变压器

7.16 变压器电感的测量

7.17 寄生电容

7.18 高频变压器模型

7.19 非交错绕组

7.20 交错绕组

7.21 交流电流变压器

7.21.1 工作原理

7.21.2 电流变压器模型

7.21.3 低频响应

7.21.4 高频响应

7.22 绕组的谐波功耗

7.22.1 连续导通模式（ccm）下绕组的谐波功耗

7.22.2 非连续导通模式（dcm）下绕组的谐波功耗

7.23 变压器的热模型

7.24 总结

7.25 参考文献

7.26 复习题

7.27 习题

第8章 集成电感器

8.1 引言

8.2 趋肤效应

8.3 矩形导体的电阻

8.4 直矩形导体的电感值

8.5 集成电感的结构

8.6 曲折结构电感

8.7 直圆导体的电感值

8.8 圆导线环形回路的电感值

8.9 两平行导线回路的电感值

8.10 圆导线矩形回路的电感值

8.11 圆导线多边形回路的电感值

8.12 键合线电感

8.13 单匝平面电感

8.14 平面方形回路的电感值

8.15 平面螺旋电感器

8.15.1 平面螺旋电感器的几何形状

8.15.2 方形平面电感

8.15.3 六边形螺旋电感的电感值

8.15.4 八边形螺旋电感的电感值

8.15.5 环形螺旋电感的电感值

8.16 多金属层螺旋电感

8.17 平面变压器

8.18 mems电感

8.19 同轴电缆的电感值

8.20 双线传输线的电感值

8.21 集成电感中的涡流损耗

8.22 射频集成电感模型

8.23 pcb电感

8.24 总结

8.25 参考文献

8.26 复习题

8.27 习题

第9章 自电容

9.1 引言

9.2 高频电感模型

9.3 自电容的组成

9.4 平行板电容器的电容

9.5 箔式绕组电感的自电容

9.6 两平行圆导线之间的电容

9.6.1 带电无限长导线之间的势能

9.6.2 两条带电无限长导线之间的势能

9.6.3 两平行导线之间的电容

9.7 圆导体与导体平面间的电容

9.8 单层电感器的自电容

9.9 多层电感器的自电容

9.10 同轴电缆的电容

9.11 总结

9.12 参考文献

9.13 复习题

9.14 习题

第10章 电感设计

10.1 引言

10.2 漆包线

10.3 导线的绝缘

10.4 电感设计的限制条件

10.5 窗口利用系数

10.5.1 导线的绝缘系数

10.5.2 空气和导线的绝缘系数

10.5.3 填充系数

10.5.4 骨架系数

10.5.5 边缘系数

10.5.6 窗口利用系数的定义

10.6 电感的温升

10.6.1 电感的温升表达式

10.6.2 环形磁芯电感的表面积

10.6.3 罐形磁芯电感的表面积

10.6.4 pq形磁芯电感的表面积

10.6.5 ee形磁芯电感的表面积

10.7 电感绕组的平均匝长

10.7.1 环形磁芯

10.7.2 pc和pq形磁芯

10.7.3 ee形磁芯

10.8 面积积法

10.8.1 面积积法的通用表达式

10.8.2 正弦工作的电感的面积积

10.9 交流电感设计

10.9.1 磁通密度的优化

10.9.2 交流电感设计实例

10.10 连续电流模式时buck变换器中的电感设计

10.10.1 电感在方波电压下工作的面积积ap的推导

10.10.2 利用面积积ap方法设计连续电流模式下buck变换器中应用的电感

10.11 利用面积积ap方法设计在dcm工作条件下buck变换器中应用的电感

10.12 磁芯几何系数kg法

10.12.1 磁芯几何系数kg的通用表达式

10.12.2 工作于正弦电流和电压的交流电感

10.12.3 ccm下pwm变换器中应用的电感器

10.12.4 dcm下pwm变换器中应用的电感器

10.13 利用kg法设计ccm下buck变换器中应用的电感

10.14 利用kg法设计dcm下的buck变换器中应用的电感

10.15 总结

10.16 参考文献

10.17 复习题

10.18 习题

第11章 变压器的设计

11.1 引言

11.2 面积积法

11.2.1 面积积ap的推导

11.2.2 变压器绕组的磁芯窗口分配

11.3 最佳磁通密度

11.4 在连续导通模式下反激式转换器中的变压器设计

11.4.1 变压器设计的实际考虑

11.4.2 方波电压下工作的变压器面积积

11.4.3 面积积法

11.5 dcm反激变压器设计

11.6 几何常数kg法

11.6.1 几何常数kg的推导

11.6.2 工作电流与电压为正弦的变压器

11.6.3 工作于ccm模式下pwm转换器中的变压器

11.6.4 工作于dcm模式下pwm转换器中的变压器

11.7 采用kg法设计工作于ccm模式的反激式转换器中的变压器

11.8 采用kg法设计工作于dcm模式的反激式转换器中的变压器

11.9 总结

11.10 参考文献

11.11 复习题

11.12 习题

附录a 傅里叶级数

附录b matlab介绍

习题答案

《国外电子与通信教材系列：高频磁性器件》是高频功率磁性器件领域的一本教材。全书共11章，首先完整介绍了磁性器件的基本概念与原理，然后详细介绍了高频时出现的趋肤效应与邻近效应，以及两效应对高频磁性器件的绕组和磁芯损耗的影响，最后采用案例学习方式，介绍了用面积积法和几何系数法设计变压器和电感器的实际设计范例、过程，在此过程中，注意采用学生易于理解的分析方式对实例进行以概念为主导的解释。
本书可作为电子工程专业高年级本科生和研究生的教材，也可作为功率电子和射频功率放大器领域工程师的参考书籍。

如果读者想完整学习磁性器件的基础概念，请阅读本书。本书是第一本涵盖了高频应用的变压器和电感器磁性器件的教材。
本书介绍了包括开关电源和谐振电路在内的各种高频应用时的主要变压器和使电感器的设计技术。为正确理解高频现象，本书还详细介绍了趋肤效应与邻近效应。除此之外，本书还包括：
·集成电感器，变压器和电感器的自电容，以及磁性器件中自电容的表达式；
·选择磁芯材料、磁芯形状与尺寸，以及对用于磁芯的软磁材料的评价标准：
·高频绕阻；
·变压器和电感器工作于含有谐波分量的非正弦电流波形时的绕组和磁芯功耗表达式。
案例学习中将面积积法和几何系数法的实际设计范例、过程与以概念为主导的解释和使学生易理解分析完美结合。在每章结尾，提供了关键概念的总结，以及复习题和习题。复习题和习题答案可在独立成册的解答手册中找到。
这些特征使本书成为适合于研究生、高年级本科生以及功率电子学、电气与计算机工程领域的技术人员的一本很好的教材，也可作为功率电子电路、开关电源和射频功率放大器与电路领域应用的高频电感器和电感器设计工程师的参考书。