如何理解：绝缘、热阻和电流密度

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; g, z3 y3 U/ U/ \1.绝缘 ：
       为了避免导线之间短路和电气隔离，导线之间都加有绝缘材料。绝缘材料的寿命就是磁元件的寿命。绝缘材料绝大部分是有机化合物。在热的作用下，材料产生分解，挥发，导致绝缘性能下降，耐潮性变差和机械强度下降，这就是热老化。因此，热是绝缘材料老化的主要因素。在达到某一评定终结的情况下,材料在热作用下能工作的时间称为寿命。 从寿命角度规定材料的极限工作温度。 IEC规定绝缘材料 7 个耐温等级如表 6-2 所示。

         

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# ?1 I3 `  t' }6 [, |/ z4 ]       如果磁芯材料采用非晶合金或磁粉芯，居里温度一般在 250℃以上，磁特性的温度稳定性好，采用 B 级以上绝缘。铁氧体居里点一般在 250℃以下，同时损耗曲线大约在 100℃以上是正温度系数，即温度增加，损耗增加。一般磁芯平均温度控制在 100℃以下，变压器热点温度不应当超过 120℃，与其相应的绝缘一般采用 E 级绝缘，最高工作温度 100℃左右。如果磁芯损耗与线圈损耗相等，自然冷却时温升 40℃，磁芯比损耗为 100mW/cm3。
/ p3 h$ P9 b5 ]8 t2 n& ?' t; Q+ c2. 热阻：
       磁元件线圈的温升是线圈总损耗和它表面散热能力的综合结果。热阻有两个主要部分：热源（磁芯和线圈）和变压器表面之间的内热阻Ri,以及由变压器表面到外部环境的外热阻Rth。
       内热阻主要取决于线圈物理结构。因为热源在整个变压器是分布的，很难定量决定。又因最高温度的“热点”，实际上产生很小的热量。 Ri与由表面到内热点无关，是一个平均值。磁芯产生热的大部分（非环形）靠近变压器内表面。在线圈内产生的热分布在表面到内磁芯之间。虽然铜的热阻很低，但绝缘和空隙提高了线圈内的热阻。这些参数常常由经验决定。通常内热阻Ri远小于外热阻Rth(除强迫通风外)。

3 i0 u) M: D: M1 ]; C9 D& l      外热阻Rth主要由通过变压器表面气流－自然对流还是强迫通风决定。 自然冷却时Rth很大程度上取决于变压器表面积以及如何安装，和它周围空气流有否障碍。变压器安装在水平表面上，并且全部元件围绕它，或者安装在相当小的容器内， Rth要比安装在垂直表面而有利于“烟囱效应”大得多。
4 e. v/ d1 `; i" ?3 S       对于强迫冷却， Rth可降低到很小数值，这取决于气流速度。此时内热阻Ri成为主要因素。强迫空气冷却，热阻与温升通常无关。在决定整机效率后，整机损耗也就决定了。根据整机分配到磁元件的损耗称为绝对损耗。因此整机效率是绝对损耗的决定因素。而温升是平均温升，也并非磁芯最热点温度与表面温度之差。
       根据“热路”欧姆定律，温升和损耗的关系为 ：δT=Rth*P，Rth---热阻，单位 W/℃。
# u6 V$ {5 n; `0 Y       虽然有不少文献介绍电磁元件的温升估算方法，但是尚无简单而精确的分析方法。精确计算可用有限元计算机分析。通常应用磁性元件热阻与表面辐射和自然对流散热经验关系计算温升，精度可在 10℃以内。热阻的经验公式为

      

      

3、电流密度：

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Il－为所有线圈各个电流的有效值和其线圈长度的乘积之和。

       可见线圈的功率损耗与线圈的电流密度成正比。电流密度越大，线圈损耗越大。低频时， A 级绝缘，选择电流密度为 2.5~3A/mm2(250~300A/cm2)。 E 级电流密度为 4.50/mm2。开关电源中，磁性元件一般体积较小， 表面体积比大， 散热容易， 在自然冷却条件下， 一般选取电流密度在 4~6.5A/mm2。

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       而模块电源中，磁器件有良好的散热条件，一般电流密度达到 8A/mm2，甚至达到 10A/mm2。电流密度选择高，导线截面积小，相同窗口绕更多的导线。但导线电阻大，铜损耗大，当自然冷却温升超过绝缘等级最高允许值时，应当考虑采用强迫风冷。但是，功率较大时，高的电流密度引起高损耗，降低了整个变换器效率。一般从效率出发，将损耗功率分解到各个元件，根据磁元件分配到的耗散功率，并使得 PW＝ PC 选取相应线圈的电流密度。

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很重要的三个概念