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目录简介基本电磁理论线圈损耗机理线圈损耗计算线圈电感线圈电容目录简介1分布式电源架构分布式电源架构2市场对隔离型DCDC的性能要求市场对隔离型DCDC的性能要求3市场对ACDC(PFC)的性能要求市场对ACDC(PFC)的性能要求4绿色电源要求绿色电源要求5市场需求对开关电源技术的推动市场需求对开关电源技术的推动6磁性元件的重要性和所面临的挑战磁性元件面临:体积和重量形状因子功率损耗制造成本温度升高性能 EMI,RFI 噪音,交叉调整率磁性元件的重要性和所面临的挑战磁性元件面临:7开关电源高频磁技术的发展开关电源高频磁技术的发展8磁元件设计的考虑 EMC 制造 结构 形状 成本 安规 散热磁元件设计的考虑 EMC 制造 结构 形状 成本9磁元件中线圈设计的考虑 变压器模型 电感模型什么参数影响线圈设计?Rkp,Rks:线圈电阻 Lkp,Lks:漏感 Cp,Cs:线圈电容 Cps:P&S之间的电容磁元件中线圈设计的考虑 变压器模型 10线圈电阻线圈电阻11基本电磁场原理所有电磁感应如下:麦克斯韦方程 1.微分形式 2.积分形式 3.物理定律 安培定律 法拉弟定律 磁通连续定律基本电磁场原理所有电磁感应如下:12基本磁路理论 基本磁路理论 13怎样测试B-H环路怎样测试B-H环路14怎样测试磁芯损耗怎样测试磁芯损耗15功率电磁元件中的导线功率电磁元件中的导线16导通损耗机理低频损耗(铜导体直流电阻)大的直流电阻由不均匀分布的电流导致导通损耗机理低频损耗(铜导体直流电阻)17导通损耗机理高频损耗(AC损耗)趋肤效应损耗 邻近效应损耗线圈AC损耗 终端效应损耗 气隙边缘效应损耗 终端效应损耗 附加导通损耗 环流损耗导通损耗机理高频损耗(AC损耗)18单根导线中趋肤效应电流分布 由高频电流导致的电流不均匀分配单根导线中趋肤效应电流分布19铜箔中的趋肤效应形成的电流分布趋肤效应电流是电流自身产生的磁通导致铜箔中的趋肤效应形成的电流分布趋肤效应电流是电流自身产生的磁20铜箔中邻近效应造成的电流分布 邻近效应电流是由外部磁场产生的磁通形成铜箔中邻近效应造成的电流分布 邻近效应电流是由外部磁场产生的21两层铜箔中形成的涡流效应电邻近流是由外部磁场产生的磁通形成趋肤效应电流是电流自身产生的磁通导致 场强(H)更高电流密度(J)更大两层铜箔中形成的涡流效应电邻近流是由外部磁场产生的磁通形成22铜箔中的涡流损耗铜箔中的涡流损耗23铜箔中的涡流损耗铜箔中的涡流损耗24铜箔中涡流损耗特性线圈电阻随频率增加线圈电阻随场强增加导线越薄电阻越小 铜箔中涡流损耗特性25最佳铜箔厚度上的谐波的影响最佳铜箔厚度上的谐波的影响26变压器如何减小线圈损耗使用三明治绕法或多层交互式绕法变压器如何减小线圈损耗使用三明治绕法或多层交互式绕法27三种不同线圈绕法的比较三种不同线圈绕法的比较28如何减小变压器线圈损耗选择合适厚度的铜箔最佳铜箔厚度是如何减小变压器线圈损耗选择合适厚度的铜箔29铜箔中的涡流特性铜箔中的涡流特性30最佳铜箔的排列方法用最佳线圈结构单层 多层最佳铜箔的排列方法用最佳线圈结构31使用最佳层叠的设计实例使用最佳层叠的设计实例32终端效应损耗终端效应损耗33终端损耗终端损耗34电感线圈的损耗 因磁通进入线圈导致的线圈损耗电感线圈的损耗35气隙边缘效应损耗的研究气隙边缘效应损耗的研究36平板电感中的气隙边缘损耗效应1)更多的边缘效应损耗2)沿着匝数非均匀的损耗平板电感中的气隙边缘损耗效应37不同气隙位置的线圈损耗不同气隙位置的线圈损耗38如何减小气隙边缘损耗(1)薄型的铁硅铝磁环材料高导磁率铁氧体材料(具有多个小气隙)两者组合的磁性材料如何减小气隙边缘损耗(1)薄型的铁硅铝磁环材料39如何减小气隙边缘损耗(2)让线圈尽量躲开空气隙如何减小气隙边缘损耗(2)让线圈尽量躲开空气隙40如何减小气隙边缘损耗(3)防止铜箔绕组靠近气隙如何减小气隙边缘损耗(3)防止铜箔绕组靠近气隙41交互式空气隙的安排交互式空气隙的安排42附加导通损耗附加导通损耗43附加导通损耗附加导通损耗44环流效应损耗两个单根导线并联(产生EMP)两个单根导线扭转后并联(EMF对消)防止使用不完美的多股绞线不影响使用非扭转薄层导线并联环流效应损耗两个单根导线并联(产生EMP)45多股导线和单根导线与频率的关系导线根数和直径要根据工作频率仔细选择将损耗减至最低.多股导线和单根导线与频率的关系46变压器中多股并联导线和单根导线的比较变压器中多股并联导线和单根导线的比较47单根导线和多股并联导线的电流分布单根导线和多股并联导线的电流分布48平板磁芯和平板变压器薄的外形便于和其它元件集成大的表面面积更便于散热很短的散热通道减小了热阻高的导体填充系数缩小了变压器体积精确的线圈参数能更好地兼容预置的线圈结构有更好的导电性平板磁芯和平板变压器薄的外形便于和其它元件集成49平板磁芯的结构平板磁芯的结构50平板变压器线圈的结构平板变压器线圈的结构51平板变压器的组合用平板磁芯的混合设计平板变压器的组合52应对PCB线圈设计的挑战更高頻率-薄的铜箔-多层并联增加电流能力更大电流-厚的铜箔-应对并联导体的电流均衡问题应对PCB线圈设计的挑战更高頻率-薄的铜箔-多层并联增加电流53并联导体层的电流均衡模型并联导体层的电流均衡模型54线圈并联效应带来的损耗 线圈交流损耗 趋肤效应 邻近效应 并联效应 合适厚度 交互排列?如何应对并联效应减小交流损耗线圈并联效应带来的损耗 55平板PCB线圈分析实例 PCB线圈规格:匝比4:1 铜箔厚度:4 oz 铜箔层数:8 铜箔宽度:5mm 绝缘层厚度:0.15mm MLT:20mm 对趋肤效应,邻近效应,环流效应作总体考虑平板PCB线圈分析实例 56涡流沿着每层线圈的分布涡流沿着每层线圈的分布57线圈交流损耗随不同层间安排的差异不同的线圈安排在不同频率下有不同的Rac最佳设计可以用PCB线圈设计工具来获得线圈交流损耗随不同层间安排的差异58涡流损耗随着不同绝缘空间变化大的绝缘空间会产生更多的涡流涡流损耗随着不同绝缘空间变化59影响电流均衡的因素频率以及铜箔厚度线圈的位置和安排并联连接及其结构并联层之间的空间影响电流均衡的因素频率以及铜箔厚度604:1PCB线圈设计实例 不对称交互排列 对称交互排列 三明治排列 三明治排列4:1PCB线圈设计实例61线圈交流损耗随线圈层间安排的变化线圈交流损耗随线圈层间安排的变化62涡流损耗计算 涡流损耗计算的方法1.用数字仿真方法(FEA2D&3D)2.用理论模型方法(Dowell 1D)涡流损耗计算 涡流损耗计算的方法63线圈损耗计算线圈损耗计算64线圈损耗计算线圈损耗计算65FEA工具计算电磁场中的线圈损耗 FEA工具是分析和计算线圈损耗的强力工具并实现最佳设计FEA工具计算电磁场中的线圈损耗661-D Dowell模型由DPEC建立的工具将帮助计算线圈损耗1-D Dowell模型67环形电感线圈的交流损耗在高频下防止使用多层线圈以减少线圈的交流损耗环形电感线圈的交流损耗68环形电感线圈交流损耗模型环形电感线圈交流损耗模型69圆形导线的涡流模型圆形导线的涡流模型70矩形导体在自由空间中的趋肤损耗矩形导体在自由空间中的趋肤损耗71矩形导体在自由空间中的交流损耗对同样导体截面积扁平导体交流损耗较小矩形导体在自由空间中的交流损耗72PCB线圈分析工具输入:薄铜皮,布局,层数,连接,隔离空间输出:PCB线圈分析工具73线圈设计实例1.处理线圈的寄生电感2.处理线圈的寄生电容线圈设计实例处理线圈的寄生电感74磁芯体积设计中AP方法及其局限主要局限:1.B和J都很难决定,特别是J2.Pc和Pw不能精确计算,特别是Pw磁芯体积设计中AP方法及其局限75选择导线的传统方法频率f(趋肤效应)选择导线直径d电流I(电流密度)选择导线截面Aw综合两者决定导线并联根数n实际上,工程师经常使用多股并联导线(litz导线)它的单根导线直径可以适应各种频率选择导线的传统方法频率f(趋肤效应)选择导线直径d76中心抽头变压器设计考虑Np和Ns之间的奇次谐波电流的平衡Nsa和Nsb之间的偶次谐波电流平衡中心抽头变压器设计考虑77中心抽头线圈的初始设计技术规格:初始设计:线圈结构:中心抽头线圈的初始设计技术规格:78变压器初级线圈设计考虑初级线圈损耗修正设计:原始设计:变压器初级线圈设计考虑初级线圈损耗79变压器次级线圈设计考虑修正设计:原始设计:变压器次级线圈设计考虑80中心抽头线圈变压器端子考虑改进后线圈导体温升减少12中心抽头线圈变压器端子考虑81PCB线圈设计实例PCB线圈设计实例82PCB线圈设计改进PCB线圈设计改进83平板变压器初始PCB布局平板变压器初始PCB布局84最佳PCB轨迹布局最佳PCB轨迹布局85线圈电感等效电路线圈电感等效电路86由电流漏磁通产生的电感由电流漏磁通产生的电感87漏电感和耦合系数 随着磁芯漏感Lk的增加,此时 励磁电感Lm增加更多,所以耦 合系数K也将增加,磁芯用来增 加耦合系数K,而不是减小漏感.漏电感和耦合系数88频率对磁芯电感的影响随着频率的增加电感量将减小这是由于内部电感量减小导致频率对磁芯电感的影响89导线的内部电感和外部电感导线的内部电感和外部电感90气隙位置影响耦合系数气隙位置影响耦合系数91气隙大小影响电感量气隙大小影响电感量92线圈位置影响漏感感量线圈靠近空气隙导致L减小Rac增加线圈位置影响漏感感量93变压器的漏感变压器漏感计算条件变压器的漏感94变压器的漏感变压器的漏感95线圈电容等效电路线圈电容等效电路96由电压的电场产生的寄生电容由电压的电场产生的寄生电容97由电压分布产生的电场由电压分布产生的电场98用导线排列进行电压分布用导线排列进行电压分布99用导线排列进行电压分布用导线排列进行电压分布100用导线排列进行电压分布用导线排列进行电压分布101选择线圈排列和连接选择线圈排列和连接102变压器耦合电容-Cps变压器耦合电容-Cps103有效测试Cps十分困难每匝线圈上的电压不恒定Pri和Sec之间有屏蔽薄片LCR仪表无法正确测试Cps有效测试Cps十分困难每匝线圈上的电压不恒定104减小Cps产生共模噪声的考虑增加初级与次级线圈之间的距离-漏感增大减小初级与次级之间的接触面积-损耗增大使用完整的初次级之间的屏蔽层-体积成本增加使用合适的终端连接法-容易做的方法减小Cps产生共模噪声的考虑增加初级与次级线圈之间的距离-漏105为降低EMI对Cps的考虑为降低EMI对Cps的考虑106为降低共模EMI对Cps的考虑为降低共模EMI对Cps的考虑107为降低共模EMI对Cps的考虑为降低共模EMI对Cps的考虑108PFC升压电感端子连接方法与地有大电容的端子接到恒压点上与地有小电容的端子接到HOT点PFC升压电感端子连接方法109结束语 变压器和电感的设计是我们的薄弱环节,随着工作频率的提高变压器和电感的设计将有更多的技术技巧,希望我们的工程师很好的学习和理解电磁设计的内涵.结束语 变压器和电感的设计是我们的薄弱环节,随着工作频率110
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