直流濾波電感設(shè)計(jì)課件

開關(guān)電源中的磁芯元件專題1磁的基本概念專題4

開關(guān)電源中常見的磁性材料專題6

變壓器損耗及熱設(shè)計(jì)專題3

開關(guān)電源中磁性材料的基本參數(shù)專題2

電路中的磁元件專題5

變壓器中的分布參數(shù)及線圈專題10

高頻變壓器設(shè)計(jì)專題11

高頻變壓器設(shè)計(jì)實(shí)例專題9

反激變壓器電感設(shè)計(jì)舉例專題8直流濾波電感設(shè)計(jì)專題7

磁芯的工作狀態(tài)拓?fù)錄Q定電路參數(shù)工作頻率決定磁芯最大磁密和最大磁通擺幅粗選磁芯形狀和尺寸決定損耗限制計(jì)算匝數(shù)計(jì)算氣隙長度計(jì)算導(dǎo)體尺寸和線圈電阻計(jì)算線圈損耗，總損耗和溫升電感設(shè)計(jì)步驟根據(jù)拓?fù)錄Q定電路設(shè)計(jì)參數(shù)1、電感量L由紋波決定；2、滿載直流電感電流的平均值決定磁芯的直流工作點(diǎn)；3、最大紋波電流的要求就是電感量的要求；4、最大峰值短路限制電流ISP，限制了最大磁密；5、最大允許損耗和溫升就是損耗計(jì)算，主要是直流損耗，交流損耗較小。電感設(shè)計(jì)前的知識(shí)準(zhǔn)備磁環(huán)：Toroidcore鐵粉芯材料，顏色表示不同的牌號(hào)電感不同于變壓器，要儲(chǔ)存能量，開氣隙和用磁粉芯的目的就是可以儲(chǔ)存足夠的能量。設(shè)計(jì)流程圖舉例輸出濾波電感【例題1】電流連續(xù)輸出濾波電感設(shè)計(jì)（1）設(shè)計(jì)參數(shù)：5V/50A正激變換器的輸出濾波電感。濾波電感電壓范圍：13.35-25.33V輸出：5V滿載電流I0：50A電路拓?fù)洌赫ぷ儞Q器開關(guān)頻率f:200kHz最大占空度：0.405（Uimin）T（2）應(yīng)用制造廠手冊(cè)選擇磁芯材料磁芯材料：如：鐵氧體3C90國內(nèi)外生產(chǎn)磁性元件的廠家PHILIPSTDKSONY南京精研磁性科技有限公司浙江海寧天通公司SIMENS南京898廠金寧無線電器材廠MICROMENTALSMAGNETICSPHILIPS鐵氧體3C90MnZn鐵氧體材料特性典型B/H曲線初始磁導(dǎo)率隨溫度變化曲線幅值磁導(dǎo)率隨峰值磁密變化曲線（3）決定磁芯最大磁通密度和最大磁通擺幅Bmax=3000Gs=0.3T最大磁通幅度取短路時(shí)峰值電流限制最大磁通密度最大磁通擺幅最大電流紋波10A最大峰峰值磁通擺幅對(duì)應(yīng)于最大紋波電流100°C功率比損耗隨峰值磁密和頻率的變化曲線不同頻率和峰值磁密比損耗隨溫度變化曲線忽略二極管D1和D2的導(dǎo)通壓降。電感L上的波形T主變壓器(4)選磁芯形狀和尺寸單線圈電感K1=0.03滿載電流50A峰值電流65AL=2.2微亨下面對(duì)系數(shù)K1做解釋K1W—初級(jí)銅面積/窗口面積K1—假定線圈損耗比磁芯損耗大得多，自然通風(fēng)冷卻下，電流密度取420A/cm2時(shí)的經(jīng)驗(yàn)值。K2—假定線圈損耗和磁芯損耗相等，電流密度為292A/cm2,則K2=0.707K1。各種系數(shù)與電感類型的關(guān)系線圈窗口利用率自然冷卻經(jīng)驗(yàn)值K1線圈損耗等于磁芯損耗磁芯損耗嚴(yán)重時(shí)，損耗限制的磁通擺幅，面積乘積公式為初級(jí)電流變化量最大磁通密度擺幅公式中的4/3次方說明：磁芯尺寸增加，磁芯和線圈（產(chǎn)生損耗）體積增加大于表面積（散熱）的增加。因此磁芯體積大的功率密度降低。選擇磁芯查表得到磁芯參數(shù)計(jì)算需要值查表值骨架型號(hào)：CPH-ETD34-1S-14P骨架材料:PBT阻燃加固引腳數(shù)：14最高工作溫度155度繞組截面積123/mm2繞組最小寬度20.9/mm平均匝長60/mm(5)決定熱阻RT和允許損耗磁芯損耗線圈損耗損耗熱阻最大允許溫升決定損耗磁芯比損耗磁芯損耗磁芯比損耗線圈損耗可以大于2WBmax=3000Gs=30mT允許總損耗是2.5W（6）計(jì)算保證電感量所需要的匝數(shù)取5匝尺寸-cmL-微亨需要說明的是：電路中的濾波電感的電感量是由電感上的電壓、電流脈動(dòng)，電路的頻率、電容大小、紋波要求等確定的。1000匝線圈等效電感uHETD磁芯是圓形端面端面中柱直徑（7）根據(jù)所需的電感量計(jì)算氣隙長度校正氣隙后的截面積cm2邊緣修正后的有效截面積矩形端面長度單位cm將得到數(shù)據(jù)再代入上式進(jìn)行校驗(yàn)，直到誤差小于10%。ETD34的氣隙截面是圓形截面，用下面的公式計(jì)算，并設(shè)（8）計(jì)算導(dǎo)體尺寸、線圈電阻、損耗和溫升bW=20.9mmhW=（25.4-13.4）/2=6mm窗口寬度窗口高度50A/450=0.111cm2導(dǎo)體截面積導(dǎo)體厚度0.111/2.09=0.0555cm層間絕緣0.005cm線圈高度hW=0.60cm骨架高度沒有充分利用線圈匝數(shù)N=5電流密度450A/cm2為減少損耗導(dǎo)體厚度0.1cm線圈總高度0.525cm導(dǎo)體截面積0.2cm2平均匝長6.1cm線圈總長6.1×5=30.5cm線圈電阻直流損耗計(jì)算線圈的交流損耗在頻率200kHz時(shí)的穿透深度有效面積減少倍數(shù)導(dǎo)體厚度d=0.1cmp=5層三角波交流電流分量有效值交流損耗為線圈總損耗(9)總損耗為1.18+0.03=1.21W，遠(yuǎn)小于2.1W。滿載時(shí)按損耗計(jì)算線圈的電流密度為250A/cm2ETD34磁芯的面積乘積比計(jì)算值大了65%?？梢赃x用更小一號(hào)磁芯。選ETD29試試。【例題2】磁粉芯電感設(shè)計(jì)舉例設(shè)計(jì)一個(gè)磁粉芯電感，用于BUCK變換器輸出濾波電感。為計(jì)算簡(jiǎn)單起見設(shè)輸入電壓為15伏，輸出為5V/2A，工作頻率250kHz。電感量為35微亨，電流從0變化到2A，允許磁芯磁通變化不超過20%，即電感量變化不超過20%，絕對(duì)損耗為300mW，自然冷卻，溫升40°C。(1)計(jì)算電感量占空比紋波電流峰峰值磁芯損耗和線圈損耗各占一半150mW臨界連續(xù)電感量為（2）選擇磁芯材質(zhì)工作頻率為250kHz，選擇MPP磁粉芯材料，因?yàn)镸PP材料的損耗低。還應(yīng)注意磁導(dǎo)率隨直流偏置加大而下降。（3）粗選磁芯尺寸選擇Magnetics公司的MPP磁芯2倍儲(chǔ)能：77：鐵硅鋁55：MPP磁芯58：高通磁芯初始磁導(dǎo)率為300微亨，可選擇55045-A2牌號(hào)的磁芯，參數(shù)如下：1000匝電感系數(shù)匝數(shù)匝數(shù)取整需核算電感取19匝電感系數(shù)8%的誤差（4）計(jì)算磁通密度平均磁路長度CGS制的磁場(chǎng)強(qiáng)度磁通密度單位換算由于直流濾波電感工作時(shí)有直流偏磁，這個(gè)直流偏磁會(huì)是磁芯的磁導(dǎo)率下降，用實(shí)際磁導(dǎo)率與初始磁導(dǎo)率的比值為縱坐標(biāo)，橫坐標(biāo)為直流偏磁奧斯特Oe。（5）計(jì)算電感的變化量直流偏置Hdc/(Oe）,1Oe＝0.796A/cm67%2A時(shí)電感量下降到如果想要增加電感量，需要增加匝數(shù)，但增加匝數(shù)會(huì)增加磁通密度，更增加電感量的變化，換一個(gè)更低磁導(dǎo)率的磁芯試驗(yàn)。（6）第二次試算牌號(hào)55050-A2取29匝（7）再次計(jì)算磁通密度、磁導(dǎo)率變化量和匝數(shù)校驗(yàn)實(shí)際電感量磁通密度直流偏磁影響計(jì)算電感的變化量直流偏置（Oe）1Oe＝0.796A/cm85%（8）選擇導(dǎo)線線圈的窗口面積0.383cm2，取充填系數(shù)為50%。電流密度選4A/mm2，2A只需要0.5mm2,小于0.66mm2磁芯初始磁導(dǎo)率為300微亨，可選擇55045-A2牌號(hào)的磁芯，參數(shù)如下：選擇磁環(huán)TN12.5/5，內(nèi)徑為7.62mm，外徑為12.7mm，高問4.75mm。繞2層，加起來可超過29匝，滿足要求。（9）計(jì)算電阻選擇平均匝長為2.06cm集膚深度有效厚度查DOWELL曲線(10)功率損耗電流紋波的峰峰值交流磁場(chǎng)強(qiáng)度磁感應(yīng)峰值直流偏置（Oe）1Oe＝0.796A/cm85%2A的直流偏磁使磁導(dǎo)率下降85%需要注意的是BUCK變換器中的電感里的電流是三角波，不是正弦波，而廠家提供的曲線是正諧波下獲得。以實(shí)驗(yàn)測(cè)試為基礎(chǔ)進(jìn)行一些近似估算，提供一些經(jīng)驗(yàn)公式。Magnetics磁芯單位體積損耗表達(dá)式磁芯損耗求總線圈損耗直流損耗交流損耗磁芯和線圈總損耗：240mW磁芯損耗大于線圈損耗（11）溫升計(jì)算預(yù)計(jì)溫升由于環(huán)境溫度為20°C，線圈電阻溫度為36.8°C,如果環(huán)境溫度為40°C，則線圈溫度為56.8°C,需要重新計(jì)算銅線的直流電阻。銅的電阻溫度系數(shù)為線圈電阻損耗重新計(jì)算溫升電感計(jì)算后的產(chǎn)品貌似簡(jiǎn)單，但涉及的理論知識(shí)很多：主要有電路理論、磁芯結(jié)構(gòu)尺寸、絕緣等級(jí)、溫升等。其中導(dǎo)線的電阻、磁芯的參數(shù)會(huì)隨環(huán)境溫度而變化，溫度及溫升與電感所處的環(huán)境、工作狀態(tài)密切相關(guān)互相制約著，使得計(jì)算十分復(fù)雜。即使是計(jì)算好的電感永遠(yuǎn)是個(gè)近似值。沒有更好，只有最好?！纠}3】設(shè)計(jì)一個(gè)正激交錯(cuò)變換器輸出濾波電感（1）設(shè)計(jì)參數(shù)電感輸入電壓輸出電壓工作頻率輸出電流限流電流紋波電流占空度極限占空度電感量（2）選擇磁芯材料和尺寸磁芯材料選鐵氧體3F3100°C的飽和磁感應(yīng)密度為0.33T。選最大磁通過流時(shí)的最大磁感應(yīng)密度：第一象限工作磁密選為0.028T磁芯損耗可以忽略，磁芯由AP法選擇，主要限制是飽和磁密限制。選擇E42C磁芯。主要參數(shù)如下：磁芯的AP值需要的滿足要求（3）計(jì)算匝數(shù)取10匝（4）計(jì)算氣隙長度預(yù)設(shè)一個(gè)氣隙長度，進(jìn)行計(jì)算，再復(fù)核計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代，若干次后就接近目標(biāo)值。誤差只有2%，可以滿足要求。電感單位為微亨，長度單位為cm（5）計(jì)算導(dǎo)線尺寸對(duì)于電感中電流連續(xù)的磁芯，主要損耗在線圈。但由于工作頻率高，線圈匝數(shù)較少，可以選用的電流密度可以相對(duì)高些。導(dǎo)線規(guī)格尺寸直流電阻集膚深度導(dǎo)體的有效厚度與集膚深度的比值Q電感電流為三角波，有效值為：（6）線圈結(jié)構(gòu)導(dǎo)線帶漆皮直徑為2.36mm10匝導(dǎo)線的寬度為2.36cmE42C磁芯骨架的窗口寬度為2.96cm繞成單層，散熱效果好。（7）導(dǎo)線損耗與溫升直流電阻損耗交流損耗線圈總損耗磁芯熱阻線圈溫升前述計(jì)算都按20°C時(shí)的電阻率計(jì)算電阻的，考慮到環(huán)境溫度，實(shí)際電阻溫度要高些，電阻值也高些。設(shè)環(huán)境溫度為40°C，溫升40.5°C，線圈溫度為80.5°C。電阻損耗增加，溫度也增加，設(shè)溫度增加到91°C,則迭代計(jì)算實(shí)際線圈損耗電流連續(xù)模式的其他拓?fù)涞碾姼屑碆uck、Boost、Buck/Boost以及推挽、半橋和全橋輸出濾波電感設(shè)計(jì)方法相似。連續(xù)模式反激變壓器磁芯損耗雖然可以不計(jì)，但線圈電流是斷續(xù)的，必須計(jì)算線圈交流損耗，尤其是多層線圈。為減少鄰近效應(yīng)引起的交流電阻增加，初級(jí)與次級(jí)通常要分段交替繞制。電流斷續(xù)模式直流濾波電感設(shè)計(jì)【例題4】設(shè)計(jì)一個(gè)斷續(xù)模式反激變壓器，反激變壓器設(shè)計(jì)參數(shù)為輸入電壓輸出電壓與電流短路電流工作頻率極限占空比最大反向恢復(fù)時(shí)間溫升漏感【解】（1）決定次級(jí)電壓和輸出功率(2)計(jì)算次級(jí)電感量推導(dǎo)得電感L2設(shè)效率為90%，最大占空比小于極限占空比即?。?）求匝比（4）計(jì)算線圈電流次級(jí)電流有效值次級(jí)電流峰值次級(jí)電流交流有效值初級(jí)峰值電流初級(jí)電流有效值輸入平均電流初級(jí)電流波形（6）選擇磁性材料和尺寸選擇Magnetics公司P材料雖然工作頻率為70kHz，則肯定能