開關電源變壓器設計與材料選擇.ppt

目 錄,變壓器的結構和組成 變壓器的設計,變壓器的結構和組成,變壓器,原邊繞組,副邊繞組,導磁回路(磁心),勵磁磁通,漏磁磁通,一次側,二次側,1.改變電壓 2.隔離電路,繞組的電壓關系,法拉第定律:,交變磁場中的電動勢:,變化磁場,變化磁場在閉合回路中產生的感生電勢,E,空間回路,法拉第定律,變壓器,跟據(jù)法拉第定律:,變壓器電流關系,楞次定律-變壓器的電流關系,描述:閉合回路中感應電流的方向，總是使得它所激發(fā)的磁場來”阻礙”引起感應電流的磁通量的變化,變化磁場,變化磁場在閉合回路中產生的感生電流,感生電流所產生的磁場,實際通過閉合回路的磁場,i,導體,楞次定律,磁通不能突變,應用:通常變壓器的電流決定于負載,跟據(jù)楞次定律,可用作變壓器的軟磁材料,可用作變壓器的磁性材料,錳鋅鐵氧體(Mn-Zn Ferrite):,鎳鋅鐵氧體(Ni-Zn Ferrite):,功率鐵氧體,非晶，超微晶，納米晶:,硅鋼片,工頻變壓器,高頻開關電源變壓器 （40KHz-2MHz),高頻開關電源變壓器 （2MHz),中低頻開關電源變壓器 （40KHz),鐵氧體材料的選擇,選擇磁性材料的關鍵點：,：磁心的飽和磁密 ：磁心的損耗 (儲能與放能之差),B,H,Hdc,Hdc=0,Hdc,一三相限:Full bridge 一相限:forward DC Bias:flyback,Bac,Bac,Bac,Bm,磁損曲線,BH曲線,單位體積磁損公式：,材料的損耗指標:固定Pcv時的FxB公式,不同鐵氧體的使用頻率,f .B: Material performance factor,22000HzT,32000HzT,23000HzT,35000HzT,f .B: 表現(xiàn)一個材料在一個頻率下所能通過的B的能力,A.頻率提高, 磁能材料能夠通過功率的能力提高 B.頻率提高到一定程度,會有一個更好的高頻材料來接替,磁心的選擇,一般情況下 fs300KHz, Bmax取決磁損 假設頻率fs=400KHz, 取單位磁損為300mw/cc,材質N49, Bmax=32000HzT/400KHz=80mT fs在150K至300K之間時, Bs和Pcv都考慮,取其小值. 假設頻率fs=200KHz, 材料3C96,Pcv300mw/cc B1=0.5*80%*Bs=136mT;B2=28000HzT/200KHz=140mT, 取B1和B2中的小值作為Bmax=136mT,磁心的Bmax的選擇方法,不同特性的鐵氧體材質,常規(guī)的低頻材料,飛磁的常規(guī),高飽,低溫和高溫低頻材料,低溫,高溫,高飽,常規(guī)3C96,常規(guī)的高頻材料,TDK低頻寬溫材料PC95對比,選擇磁心的形狀,常用鐵心形狀A,EE,EFD,ER,EC,ETD,PQ,RM,選擇磁心的形狀,常用鐵心形狀B,EQ,PJ,Planar EE,磁心的選擇,磁性材料的選擇依據(jù) 1.工作頻率范圍 2.飽和磁密大小,磁心形狀的選擇依據(jù) 1.功率密度的要求 2.成品高度的限制 3.繞組的多少 4.線包的引出線形式,繞組的結構,Simple,Sandwich,Interleaving,漏 感 減 小,交 流 損 耗 減 小,隔 離 結 構 復 雜,常 用 導 線,名稱:漆包線,電磁線 結構:圓銅線外覆絕緣漆 規(guī)格:0.04mm-1.0mm,名稱:三層絕緣線 結構:圓銅線外覆三層絕緣膜,耐壓3000Vac 規(guī)格:0.2mm-1.0mm,名稱:銅箔,銅皮 結構:純銅薄片,使用時需加絕緣 規(guī)格:厚0.025,0.05mm常用作屏蔽層 厚0.05mm 常用作繞組導線,名稱:多股絞線，Litz線，李茲線 結構:多根同規(guī)格的漆包線制的絞線 規(guī)格:0.1xN,0.12xN,0.2xN等,常 用 導 線,名稱:鍍錫線，鍍錫銅線 結構:圓銅線外鍍錫 規(guī)格:0.2-1.0,常用作引腳,跳線,需要加絕緣,名稱:沖壓銅片(常鍍錫) 結構:生銅片直接沖壓切割成片狀繞組的形狀 規(guī)格:厚0.5-1.0, 需加絕緣,名稱:扁平線 結構:扁平的漆包線 規(guī)格:跟據(jù)規(guī)格和廠商生產能力;寬:厚10,高頻交流損耗,集膚效應(Skin effect):,鄰近效應 (Proximity effect):,主電流,主電流在導體外產生的磁場,在導體內回路包圍的電流在導體中產生的磁場,在導體自身電流產生的磁場所產生的渦流,方向上,靠近導體表面的電流與主電流同向,而靠近中心的電流與主電流反向,導體內通過交流電流,主電流與自身電流所產生的渦流疊加,使導體截面上電流分布呈現(xiàn)表面電流密度大,內部電流密度小的現(xiàn)像.,J,x,導體內通過交流電流,主電流與外部磁場所產生的渦流疊加,使導體截面上電流分布呈現(xiàn)左右電流密度分布不均的現(xiàn)像.,主電流,主電流在導體外產生的磁場,在導體內回路包圍的電流在導體中產生的磁場,集膚電流,J,x,外部交流磁場,外部磁場產生的渦流,使用工具估算繞組的損耗,Ansoft Maxwell 2D &3D,通過維和維分析，推算變壓器的損耗和漏感,優(yōu)點：較準確 缺點：對硬件要求高；模型要盡可能接近實際,使用工具估算繞組的損耗,Dowell 1D model ( Magnetics Design tool),通過1維分析，推算變壓器的損耗,優(yōu)點：較準確,可以連續(xù)分析 缺點：理想化的模型，對一些結構有簡化，簡化越多，誤差越大,輸入電流波形,計算在上面波形下不同導線的R/Rdc,Litz線的簡化,漏磁通與漏感,磁通回路全部通過繞組的磁通為勵磁磁通 位置上為全部在鐵心中 磁通回路有一部分在繞組間的磁通為漏磁通， 位置上為經過窗口的磁通,漏磁通存儲的磁場能量,一般情況下，,而 與 基本相當,所以可以簡略認為,漏感與磁場,漏感的估算,Hmax,H=0,Hw,減小Lk的方法: 1.拉高窗口寬度或拉寬窗口寬度(如平面化) 2.減小每個磁回路的電流和(如三明治或interleaving) 3.減小Hmax的區(qū)域體積(如減小P-S之間距離) 4.減少圈數(shù),而:,故:,變壓器的設計,開關電源的拓撲,變壓器的設計,相關參數(shù),計算AP,選擇鐵心,設計繞組,評估變壓器性能,AP法介紹,AP法, 即 Area Product (面積乘積)法的簡寫,走磁通的面積Ae,走電流的面積Aw,X,=AP,AP的計算公式,(磁心的儲能能力),(磁心的通過電流的能力),雙管正激變壓器的設計,設計參數(shù),1.從電路引入的設計參數(shù),2.磁性元件的一些常規(guī)設計參數(shù),磁心的選擇,1.計算最大輸出功率,2.計算原邊平均電流Iin,3.預計算原邊電流脈沖Ipk,Ipk,原邊電流波形,4.預計算原邊電流有效值Iprms,r,Forward變壓器磁心中的回線,DB,磁心的選擇,5.Bmax的選擇:,fs150KHz,Bmax取決于Bs, 本例fs=100KHz,取Bs的80%為基準, 材質3C96 ,Bmax=0.5*80%*Bs=136mT,6.AP計算:,(注:本例中Bs取的是H=250A/m時的值0.37T,而不是handbook上給的1200A/m時的0.44T),磁心的選擇,d.跟據(jù)AP選擇鐵心,選擇條件： 1.forward 2.假設限高30mm 3.要求高功率密度,跟據(jù)下表選擇PQ26/25,BBN繞線空間,PQ26/25,13.55mmx4.1mm,圈數(shù)的計算與選擇,1.原邊圈數(shù)的計算 .,Ae=120mm2, Bac=136mT,2.副邊圈數(shù)的計算 .,.復算確認原邊圈數(shù) .,圈數(shù)的計算與選擇,.原邊無氣隙電感的計算 .,MPL=57.3mm,.變壓器的變比 .,.實際最大占空比 .,D最大值滿足要求,(平均磁路長度),繞組的計算與選擇,1.計算導線截面積 .,前面已得出：Iprms=1A Jp=600A/cm2,對于正激電路，副邊電流,前面給定Js=750A/cm2,2.導線類別和線包結構的初選 .,原邊線徑,單心線0.5mm,多股線0.1x25C,副邊線徑,TIW 0.9mm,銅箔繞組:寬度10mm,線包結構：常規(guī)變壓器，原副原 三明治結構 注意：輔助變壓器或需要高漏感的變壓器可以考慮用Simple結構 而要求低損耗時可以考慮采用interleaving結構,繞組的計算與選擇,3.通過一維計算確定導線的優(yōu)化條件 .,一二次側邊界,主層,次層,原邊繞組主次共層 副邊繞組主次共層,一二次側邊界,主層,次層,內外原邊繞組一個層個層 中間副邊繞組次層由主層平分到個組中，各有層,注意： 銅箔的規(guī)則與導線相同 如果是Litz線，層數(shù)還要乘上股數(shù)的開方值（如層0.1x25c線的損耗層數(shù)是xsqrt(25)=2x5=10層,繞組的計算與選擇,4.不同線組合的對比列表 .,繞組的計算與選擇,5.導線的選擇與排布 .,BBN 的繞 線空間,13.55,4.1,0.1x25c,線徑約0.65mm 每層可布20圈，共布2層余4圈 總厚0.65x3=1.95mm,0.5,線徑約0.55mm 每層可布24圈，共布2層少4圈 總厚1.1mm,副邊繞組: 0.9TIW,線徑約1.15mm 每層可布11圈，一層布完,總厚1.15mm,0.12mm銅箔,每層外帶6層膠帶合計0.48mm,組合,0.1x25c+0.9TIW,sandwich,總厚度3.76mm,組合2,0.5+0.9TIW,sandwich,總厚度2.91mm,銅箔繞組,對比0.9TIW,當銅箔繞組超過3匝,即不合算,繞組的計算與選擇,6.線包結構 .,Top,Bottom,P繞組1,24Ts,0.5,實際厚度約0.5mm,P-S繞組間絕緣和Shielding共厚約0.42mm,S繞組 9圈 TIW 0.9線 除去絕緣實厚約0.9mm,P-S繞組間絕緣和Shielding共厚約0.42mm,P繞組2,20Ts,0.1x25c, 實際厚度約0.5mm,PQ2625 組合2 RM12/I 組合1,Top,Bottom,P繞組1,21Ts,0.1x25c,實際厚度約0.65mm,P-S繞組間絕緣和Shielding共厚約0.42mm,S繞組 7圈 TIW 0.9線 除去絕緣實厚約0.9mm,P-S繞組間絕緣和Shielding共厚約0.42mm,P繞組2,14Ts,0.1x25c, 實際厚度約0.65mm,繞組的計算與選擇,7. 導線損耗的計算 .,采用組合2方案,0.5+0.9TIW,sandwich,總厚度2.91mm,原邊直流電阻,原邊等效電阻,副邊直流電阻,副邊等效電阻,繞組損耗,鐵心的加工,1.氣隙的計算 .,對于正激變壓器，電子工程師需要給出一個合適的電感值,以降低鐵心中的Br,例如:Lp=800uH,較準確的氣隙電感計算公式：,氣隙可以加工,鐵心的參數(shù)計算,1.實際的交流磁通密度 .,2.鐵心損耗的計算 .,3.總損耗的計算 .,4.損耗比重 .,漏感的估算,13.55,2.74,0.5x24T,0.9x9T,0.5x20T,磁心對稱軸,7.1,0.42,0.42,H,24AT,-20AT,14,3.04,0.65x21T,0.9x7T,0.65x14T,磁心對稱軸,7.3,0.42,0.42,H,21AT,-15AT,H1,H2,x1 x2 x3 x4 x5 x6,x,x,H對x的函數(shù),漏感能量與電感之間的關系：,計算出來的結果并不能代表實際的結果，但可以對比不同的繞組結構的漏感大小,計算漏感時的線包總厚度不包括線包最外層的膠帶厚度,線包截面及相對尺寸,線包截面及相對尺寸,反激變壓器的設計,設計參數(shù),1.從電路引入的設計參數(shù),2.磁性元件的一些常規(guī)設計參數(shù),Flyback的工作模式,1.FLYBACK的工作原理,*,*,Vin,Lk,Lm,Tx,ip,im,CCM, Continuous Current Mode,連續(xù)電流工作模式 DCM, Discontinous Current Mode,斷續(xù)電流工作模式 DCMB, DCM Boundary,臨界斷續(xù)電流工作模式,上述模式均指的是Lm的工作狀態(tài),im,CCM,DCM,im,DCMB,用AP法選擇磁心,1.AP的計算,Ippk,原邊電流波形,Ispk,副邊電流波形,2.計算原邊平均電流Iin,3.預計算原邊電流峰值Ipk,4.預計算原邊電流有效值Iprms,1.輸出功率Po,5.原邊電感值Lp,7.計算AP,6.Bmax選擇,跟據(jù)頻率選擇材料為3C96,再跟據(jù)Bs選擇Bmax=Bac=0.1036,鐵心的選擇,跟據(jù)AP選擇鐵心,跟據(jù)下表選擇PJ3018,選擇條件： 1.flyback 2.假設限高20mm 3.要求高功率密度 4. 無風,BBN for J3018,圈數(shù)的計算與選擇,1. 圈比的計算 .,2. 圈比的合理性 .,n=4.46滿足要求,3. 圈數(shù)的計算 .,Mos耐壓Vds=600V,裕量Vdsmargin=150V,Diode耐壓Vdm=150V,裕量Vdmmargin=50V,回算：,?。?圈數(shù)的計算與選擇,3. 驗算圈比和Duty Cycle .,4. 計算氣隙 .,5. 鐵心中磁通的計算 .,滿足要求,滿足要求,跟據(jù),得到,可以加工,交流磁通,直流磁通,最大磁通,滿足要求,繞組的計算與選擇,1.計算導線截面積 .,前面已得出：Iprms=1.046A Jp=500A/cm2,對于反激電路，副邊電流,前面給定Js=500A/cm2,2.導線類別和線包結構的初選 .,原邊線徑,單心線0.55mm,多股線0.1x30C,副邊線徑,TIW 均小于1.0,取TIW0.8x2,線包結構：常規(guī)變壓器，原副原 三明治結構,繞組的計算與選擇,3.在design tool中計算Re/Rdc .,4.導線的排布 .,P繞組1,14Ts,0.1x30c,實際厚度約0.75mm,P-S繞組間絕緣和Shielding共厚約0.42mm,S繞組 7圈 TIW 0.8x2線 2層 除去絕緣實厚約1.9mm,P-S繞組間絕緣和Shielding共厚約0.42mm,P繞組2,17Ts,0.1x26c, 實際厚度約0.75mm 其中內層13圈,外層4圈,占用1.5mm,線包總厚度:5.1mm BBN壁與Core 之間5.35mm,繞組的計算與選擇,5.繞組損耗的計算 .,0.1x30C+0.8TIWx2,sandwich,總厚度2.91mm,原邊直流電阻,原邊等效電阻,副邊直流電阻,副邊等效電阻,繞組損耗,考慮到氣隙的擴散效應造成的損耗，Pw估測損耗增加30%,變壓器的其它性能參數(shù),.鐵心損耗 .,2.變壓器總損耗耗 .,3.變壓器損耗比重 .,變壓器的其它性能參數(shù),4.漏感的估算 .,H對x的函數(shù),漏感能量與電感之間的關系：,計算出來的結果并不能代表實際的結果，但可以對比不同的繞組結構的漏感大小,10.7,4.49,0.75x14T,0.8x7T,0.75x17T,磁心對稱軸,7,0.42,0.42,H,14AT,-17AT,x,線包截面及相對尺寸,Flyback輔助繞組的電壓調整,常見做法: 主輸出Vo1有反饋控制,輔助輸出不控,由Nso1與Nso2的變比決定輸出電壓,常見問題: 主輸出Vo1重載,Vo2電壓漂高.,多路輸出的交差調整問題,漂高原因電壓spike,解決方法: 1.加強輔助繞組與受控副邊間的偶合, 強化受控輸出對輔助輸出電壓的鉗位(主要因素) 2.盡可能地減小輔助輸出與原邊間的偶合，減小原副邊轉換時的電壓尖峰對輔助繞組的影響(次要因素) 做法：,P S1 Aux(S2),Aux,Sec,Pri,Good couple,Bad couple,全橋變壓器的設計,設計參數(shù),1.從電路引入的設計參數(shù),2.磁性元件的一些常規(guī)設計參數(shù),用AP法選擇磁心,1.AP的計算,Ipk,原邊電流波形,2.計算原邊平均電流Iin,3.預計算原邊電流脈沖Ipk,4.預計算原邊電流有效值Iprms,1.輸出功率Po,6.計算AP,5.Bmax選擇,跟據(jù)頻率選擇材料為DMR44,全橋磁心在1-3相限工作， 跟據(jù)Bs選擇Bmax=Bac=0.2017,鐵心的選擇,跟據(jù)AP選擇鐵心,跟據(jù)下表選擇PQ3230,選擇條件： 1.全橋 2.假設限高35mm 3.要求高功率密度 4. 有風,PQ3230 BBN 繞線空間,圈數(shù)的計算與選擇,. 圈數(shù)的計算 .,復算Np,圈數(shù)的計算與選擇,2.原邊無氣隙電感的計算 .,MPL=71.8mm,Ae=149mm2, Bac=200mT,3.變壓器的變比 .,4.實際最大占空比 .,D最大值滿足要求,繞組的計算與選擇,1.計算導線截面積 .,前面已得出：Iprms=4.99A Jp=600A/cm2,對于全橋電路，副邊電流,前面給定Js=600A/cm2,2.導線類別和線包結構的初選 .,原邊線徑,單心線0.8mm,多股線0.1x50C,副邊線徑,線徑過粗,選用銅箔0.1x16,常規(guī)繞法,繞組的計算與選擇,3.在design tool中計算Re/Rdc .,厚度大于0.2mm的銅箔,損耗基本相同,繞組的計算與選擇,4.導線的排布 .,P繞組1,14Ts,0.1x50c,實際厚度約0.95mm,P-S繞組間絕緣和Shielding共厚約0.42mm,S1 和S2各1圈 0.2x16銅箔,實厚0.7,P-S繞組間絕緣和Shielding共厚約0.42mm,P繞組2,14Ts,0.1x50c, 實際厚度約