功率變換器磁元件高頻化的挑戰(zhàn)與對(duì)___20180526

1、 功率變換器磁元件高頻化的挑戰(zhàn)與對(duì)策陳為博士福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院 教授、博士生導(dǎo)師中國(guó)電源學(xué)會(huì)常務(wù)理事、磁技術(shù)專委會(huì)主任委員 全國(guó)磁性元件與鐵氧體材料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（磁標(biāo)委）委員IEC/TC 51 WG9（磁性元件）中國(guó)對(duì)口專家組召集人 2018.05.26 北京 功率變換器的廣泛應(yīng)用領(lǐng)域直流母線通訊設(shè)備/ 服務(wù)器有源諧波/ 無(wú)功補(bǔ)償PFC電網(wǎng)POL負(fù)載點(diǎn)電源隔離/變壓電能質(zhì)量AC/DC變換器 逆變器 DC/ACLED照明穩(wěn)壓馬達(dá)傳動(dòng)電動(dòng)汽車筆記本/ 便攜終端新能源AC/DC適配器 變頻器 AC/ACVRMCPU電源 AC/DC一次電源 DC/DC二次模塊D

2、C/DC變換器 AC/DC充電器 開(kāi)關(guān)功率變換器基本原理Vo= toffIL (Vi -Vo )= ton電感開(kāi)關(guān)iiLLLLVVi oVt二極管iL= -i= d o onLton + toffVi控制VLVLVo ViVoViVgstofftonVLV -Vio-VoILitp 通過(guò)間斷控制能量輸入實(shí)現(xiàn)電能形式變換 p 半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)是最關(guān)鍵器件 p 電感器作為磁儲(chǔ)能元件必不可少 p 變壓器作為電氣隔離和變壓元件必不可少 功率變換器技術(shù)的發(fā)展高效率，高密度，高可靠，低價(jià)格，低高度與磁元件都有關(guān)系高壓化高溫化低損耗高頻化集成化最優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)化模塊化數(shù)字化噪聲源反激電路無(wú)橋PFCLLC電路 全橋移相

3、多電平 碳化硅SiC氮化鎵GaN三“高”兩“低”精密化 自動(dòng)化 場(chǎng)耦合 濾波器 芯片化簡(jiǎn)單化高速化制程工藝 電磁干擾 磁性元件 控制技術(shù)電路拓?fù)溟_(kāi)關(guān)器件 綠色電源要求(IEEE-519)諧波電流要求電磁兼容要求環(huán)境保護(hù)要求綠色電源空載損耗要求綜合能效要求負(fù)載效率要求加州效率歐洲效率中國(guó)效率負(fù)載（%）負(fù)載 5%10%20%30%50%75%100%權(quán)重 0.020.030.070.15負(fù)載 5%10%20%30%50%/100%權(quán)重 0.030.08/0.20效率 80255075100白 銅 銀 金 白金 負(fù)載 轉(zhuǎn)換效率%20%808285879

4、050%8088888992100%8085858789負(fù)載 /10%20%30%50%75%100%權(quán)重 /0.040.030.05 磁性元件在電源中的重要性v 高頻磁性元件/磁技術(shù)已經(jīng)成為功率變換器進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸 v 磁技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前開(kāi)關(guān)電源主要關(guān)注內(nèi)容 p 尺寸、重量 p 形狀、高度 p 安規(guī)、耐壓 p 客制化設(shè)計(jì) p 損耗、溫升 p 人工成本 p 參數(shù)一致性 p 磁件測(cè)量 p 電磁兼容 p 其他各項(xiàng)性能 磁元件對(duì)變換器效率特性的影響控制芯片電容二極管PCB磁元件開(kāi)關(guān)器件效率%磁芯損耗I0100繞組損耗I290磁元件(磁芯+繞組)80功率%4060208010

5、0v 磁元件損耗特性對(duì)變換器效率和節(jié)能規(guī)范具有重要影響 v 磁性元件的精確損耗模型是優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ) 損耗來(lái)源 磁芯材料的磁能傳輸能力U = 4.44 f (N A) Bf B: 在一定功耗下傳輸磁能的能力大載重，低車速 f x B 60000小載重，高車速4500030000載重 B車速 f在低頻下：飽和是主要限制因素在高頻下：損耗是主要限制因素f100k500k 1M目前高頻磁芯材料滯后開(kāi)關(guān)器件的高頻化發(fā)展及產(chǎn)品需求； 但高頻高密度,也為磁性元件提出了更高要求和更多機(jī)會(huì)。 磁芯損耗的測(cè)量與模型VLVL各種實(shí)際勵(lì)磁波形不對(duì)稱PWM對(duì)稱PWMPX800012-bit A/D精度 100MS/s采

6、樣率20MHz帶寬。 正弦VLBBH交流功率計(jì)法復(fù)合波形(逆變/PFC)HP =| U | +| I | +tg(q) f | t|PUIp 高頻率f 和阻抗角q 對(duì)電氣損耗測(cè)量精度影響很大 p 實(shí)際勵(lì)磁波形非正弦且高、低頻復(fù)合勵(lì)磁 MaterialB(T)f(kHz)mrPcv(kW/m3)q (o)Powder磁粉芯 Magnetics HF600.1506040088.9Magnetics XFlux600.1506060088.4Magnetics KM600.1506036089.0Magnetics MPP600.1506015089.6Ferrite鐵氧體 Ferroxcube

7、3C960.2100550030080.6Ferroxcube 3C960.110055004085.0 磁芯損耗模型p 無(wú)直流偏磁工況磁芯損耗p 不同占空比D下磁芯損耗p 有直流偏磁下磁芯損耗Hdc1+ k B-d1 ()bab= (k1 f + k2 f) Bmk B-d2P1mP= P 2mcv _ accv_ dccv_ acHbll1+ ()dc-d 1 1 k Bb= k(+)(k f + k f a ) BP2pwm_nb12m2m1- D D10000實(shí)實(shí)-f=50kHz實(shí)實(shí)-f=100kHz 實(shí)實(shí)-f=150kHz 實(shí)實(shí)-f=200kHz 實(shí)實(shí)-f=250kHz 實(shí)實(shí)-f=3

8、00kHz 模 模 -f=50kHz 模 模-f=100kHz 模 模-f=150kHz 模 模-f=200kHz 模 模-f=250kHz 模 模-f=300kHz 1000 100 100.1B (T)m頻率f,交流磁密Bm頻率f,交流磁密Bm 勵(lì)磁波形D頻率f,交流磁密Bm 勵(lì)磁波形D 直流偏磁HdcP (kW/m3)cv 高、低頻復(fù)合勵(lì)磁下磁芯損耗0.380.19750.0150.1675- 0.35- 50- 22.5532.560高頻疊加低頻復(fù)合勵(lì)磁損耗=低頻損耗（無(wú)偏磁正弦）+ 各周期高頻損耗（考慮占空比及偏磁的變化） 1 ll1ab= k ( D + 1- D ) (k1 f+

9、 k2 f) BmPpwm_nb= (k f + k f a ) BbPcv _ ac12mHdc1+ k B-d1 ()bk B-d21mP= P 2mcv_ dccv_ acHb1+ (k)dc-d22 B m 繞組高頻渦流損耗機(jī)理與效應(yīng)J(r)H(t)H(t)Jeddyrr-R0i(t)RJsourceJtotal = Jsource + JeddyH(t)Jeddy氣隙渦流效應(yīng)導(dǎo)致電流密度分布不均勻，從而引起損耗增加， 渦流效應(yīng)引起進(jìn)入導(dǎo)體磁通被抵消，從而引起磁通下降。 鄰近效應(yīng) JtotalJeddyJsource集膚效應(yīng) 銅箔繞組交流損耗特性P62 .1064 .10666 .10

10、8 .10f71 .100204060801000 44 .10 46 .10 48 .10 4DH1v 繞組交流電阻隨頻率的提高而增大； v 繞組交流電阻隨所處磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大； v 繞組交流電阻隨銅箔寬度/導(dǎo)線線徑變化存在一個(gè)最小損耗點(diǎn)。 H1=0f=100Kf=100KH1= 高頻下最優(yōu)線規(guī)與損耗密度/溫升1500kHz0.8300kHz頻率提高0.6損耗P0.4100kHz0.2導(dǎo)體尺寸（面積A）044442 .104 .106 .108 .10p 頻率提高，最優(yōu)導(dǎo)體銅面積減小，但損耗增加，因此損耗密度 （溫升）顯著增大。 p 使得磁性元件的設(shè)計(jì)思路向著損耗設(shè)計(jì)和溫升設(shè)計(jì)發(fā)展。 電

11、氣設(shè)計(jì)為主 損耗設(shè)計(jì)為主 溫升設(shè)計(jì)為主 多股絞線各股均流原理沒(méi)有絞的多股并聯(lián)導(dǎo)線EMFI1IBI2B: 外部磁場(chǎng)I1I2有絞的多股并聯(lián)導(dǎo)線EMFBI1II2I1=I2里茲線（Litz wire）里茲線參數(shù)：股徑，股數(shù)，絞距，絞制方式。 多股絞線渦流損耗機(jī)理低頻高頻單股線絞線對(duì)多股絞線的每一股來(lái)說(shuō)，集膚效應(yīng)大大減弱了，但存在其它股電流對(duì)其的鄰近效應(yīng)（內(nèi)部鄰近效應(yīng)）。股數(shù)越多，內(nèi)部鄰近效應(yīng)越強(qiáng)。 集膚效應(yīng)減小， 內(nèi)部鄰近效應(yīng)增大 集膚效應(yīng)較大， 沒(méi)有鄰近效應(yīng) Litz線損耗與線規(guī)優(yōu)選p 同心絞線 (Bunch strained wire of Litz)p 復(fù)合絞線 (Rope Lay strai

12、ned wire of Litz)前兩種的綜合 450400350300250200150100500RLitz wire (0.2*25)Litz wire (0.1*100)Case3Case2Solid wire(1.0*1)Case1電流在全部各股均勻分配 電流僅在同一圓周各股均勻分配 104008001200f (kHz)p 頻率提高 Litz線廣泛應(yīng)用，且線規(guī)選擇更加重要 p 對(duì)于復(fù)合絞線，有計(jì)算/仿真模型，線規(guī)選擇基本有依據(jù)p 但對(duì)于同心絞線，目前還沒(méi)有計(jì)算模型，損耗難以評(píng)估 P 磁性元件精細(xì)化設(shè)計(jì)要求m N AP2T = ( )S0.8

13、33L = e le1864204444.2 10 4 10 6 10 8 10電氣可行性電應(yīng)力空間可行性效率/功率密度溫升規(guī)范EMC規(guī)范EMI設(shè)計(jì) 熱設(shè)計(jì) 損耗設(shè)計(jì) 雜散參數(shù) 電氣設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 磁性元件的最優(yōu)機(jī)會(huì)(x) = k H1 coshk(d - x) - H2 cosh(kx)Jysinh(kd )理論模型1+ k B -d1 ( Hdc)bk B-d 21mP= P2m1、損耗模型Hdcb-d )cv_ dccv_ ac1+ (k2 Bm 2仿真模型p 單體/綜合優(yōu)化2、優(yōu)化算法待優(yōu)化參數(shù) 3、優(yōu)化過(guò)程優(yōu)化算法優(yōu)化目標(biāo)5040Mathcad 損耗計(jì)算程序 302010變壓器匝比約

14、束條件 磁密、窗口等約束條件 0010002000300040005000Designed ID損耗模型的準(zhǔn)確有效與實(shí)用最為關(guān)鍵 繞組損耗/線規(guī)優(yōu)化 單磁元件磁芯、繞組組合優(yōu)化 多磁元件綜合優(yōu)化 平面化磁件與PCB線圈分析與設(shè)計(jì)f=500KHzPCB winding spec.: Turn ratio: 4:1Copper thickness: 4 oz. Copper width: 5 mm設(shè)計(jì)3Insulation thickness: 0.15 mm 設(shè)計(jì)2復(fù)雜的串并組合設(shè)計(jì)1fFrequencyp 多層PCB繞組設(shè)計(jì)十分靈活，但排布及連接方案（串、并組合）眾多， 且需要綜合考慮損耗、漏

15、感以及分布電容。 Rac () 磁性元件的陣列化技術(shù).多柱磁芯 陣列化有助于降低高度，改善散熱，易于處理接頭，但繞組長(zhǎng)度增長(zhǎng)。 AA/2A/4. 磁元件的本質(zhì)是高頻電磁場(chǎng) 半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(電場(chǎng)+電流場(chǎng))34原、副邊電荷漏磁通 磁芯損耗副邊電荷原邊電荷繞組損耗激磁磁通 磁場(chǎng)分布im2電場(chǎng)分布1sip is13？NpNs24理想變壓器實(shí)際變壓器 磁性元件是高頻磁場(chǎng)+電場(chǎng)+電流場(chǎng)的復(fù)雜綜合體 磁性元件的寬頻段模型磁性元件內(nèi)部參數(shù)外部參數(shù)？電氣模型高頻模型EMI模型電感阻抗特性磁場(chǎng)泄漏/耦合電場(chǎng)感應(yīng)/耦合 隨著高頻化，磁元件分布參數(shù)的作用增強(qiáng)，必須面對(duì) 控制分布參數(shù)降低電壓振蕩/電流沖擊LkCpLmVi+

16、Vo*nVdsCdsVdsViLkCpLmipVdsCdsLkipLmipLkCpn:1CpLmCds 寄生參數(shù)影響開(kāi)關(guān)管電壓/電流振蕩，影響噪聲源 Cds 功率變換器磁集成技術(shù)p 變壓器 正激變壓器反激變壓器 中間抽頭變壓器p 電感器直流電感器諧振電感器PFC電感器逆變電感器薄膜電感器 推挽變壓器SRLTXPFCDMCCMCp 濾波器差模電感 共模電感 復(fù)合濾波器 p 集成磁件電感+電感 變壓器+電感 變壓器+變壓器濾波器+變壓器濾波器+電感 差共模集成電感解耦集成耦合集成減小體積減小磁通減小紋波 D2A 磁集成技術(shù)-通過(guò)電感耦合降低紋波LLL沒(méi)耦合正耦合反耦合MMLL正耦合：繞組電流紋波減

17、低反耦合：繞組電流紋波增大當(dāng)兩繞組勵(lì)磁電壓相同相位時(shí) D1正耦合：繞組電流紋波增大反耦合：繞組電流紋波減小當(dāng)兩繞組勵(lì)磁電壓相位交錯(cuò)時(shí) DD1L 倍流整流(CDR)電路的耦合電感L1L1 Tr Tr VoVoD1D1 NpNsNpNsD2D2 L2L2VsVstti1 i1tti2 i2tiott iot沒(méi)有耦合(Lm0, L1=L2=Lk)全耦合(Lm 無(wú)窮大, L1=L2=Lk) 通過(guò)變壓器與電感耦合降低紋波NpNL 降低輸出電流紋波或?qū)崿F(xiàn)輸出零紋波 NsUinLUoxS2SR2S1SR1ux-iLx+ipNpNT1 iLm+um-pLxNpLmRppRLFLiLNRxFxT N 2LLoi

18、L +iNss+U-SiLo2+us-+u-LinUoS1SRSR12 N= R- R-LLLLxx p 電路理解：通過(guò)耦合，轉(zhuǎn)移電流紋波 p 磁路理解：調(diào)整中柱氣隙磁阻Rx， 滿足i .N =0, 實(shí)現(xiàn)電流零紋波 L L 電磁干擾問(wèn)題的重要性p 濾波器體積對(duì)功率密度影響大p EMI噪聲本身越來(lái)越嚴(yán)重噪音源基波和諧波頻率提高 噪音源高頻諧波分量增多 元器件之間近場(chǎng)耦合作用加強(qiáng) EMI標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格(醫(yī)療，汽車，觸屏等) 開(kāi)關(guān)頻率提高 開(kāi)關(guān)速度加快 功率密度提高 環(huán)境友好要求 p EMI解決方案影響開(kāi)發(fā)成本和時(shí)間不達(dá)標(biāo)樣機(jī)符合標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)濾波器EMI測(cè)試 功率變換器電磁干擾問(wèn)題RE接收天線輻射(RE)近

19、場(chǎng)耦合EMI濾波器負(fù)載輸出線負(fù)載CE接收網(wǎng)絡(luò)電網(wǎng)傳導(dǎo)DM傳導(dǎo)CM功率變換器被擾體傳輸路徑干擾源n:1p 磁性元件是EMI噪聲源和噪聲阻抗的寬頻段復(fù)雜綜合體 p 磁性元件內(nèi)部分布參數(shù)及外部電磁泄漏對(duì)EMI有關(guān)鍵影響p 從磁性元件著手是分析EMI問(wèn)題以及整改的很有效途徑 Lm電源輸入線Filter 通過(guò)電感分布電容降低提高帶寬和阻抗 p 通過(guò)繞線排布降低分布電容 C0LRCpn -1 1C= 4 Cn 層 m 段E0n2m23 p 通過(guò)新型繞線降低分布電容 提高PFC電感的差模濾波能力（電感+差模濾波器） 通過(guò)變壓器共模噪聲抵消降低共模電容-CspLISNx-VsNsNp V(x)L+Q-sp VpCpsN-QQ=Q -QpscmpsspG0Vo*n+ViVpVsVo計(jì)。-Vi/n 提高變壓器的共模抑制能力（變壓器+共模濾波器）當(dāng)設(shè)計(jì)滿足Qps=Qsp 時(shí)， 變壓器的共模噪音抵消為零，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)Cy設(shè) 調(diào)整變壓器共模有效電容的各種方法Csp(d)xCps2xCps(x)Csp(x)xCspHot pointdCYPSp 外加補(bǔ)償電容p 調(diào)整絕緣層厚度UpPSp 調(diào)整屏蔽體面積6