变压器的电流关系描述课件

Delta Confidential,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,MSBU-MISH,Delta CPBG R&D(Shanghai)Center,2008.08.29,变压器设计与材料选择,MSBU-MISH变压器设计与材料选择bbs.,目 录,变压器的结构和组成,变压器的设计,目 录变压器的结构和组成,2,变压器的结构和组成,变压器的结构和组成,3,变压器,原边绕组,副边绕组,导磁回路,(,磁心,),励磁磁通,漏磁磁通,一次侧,二次侧,1.,改变电压,2.,隔离电路,变压器原边绕组副边绕组导磁回路(磁心)励磁磁通漏磁磁通一次侧,4,绕组的电压关系,法拉第定律,:,交变磁场中的电动势,:,变化磁场,变化磁场在闭合回路中产生的感生电势,E,空间回路,法拉第定律,变压器,跟据法拉第定律,:,绕组的电压关系法拉第定律:交变磁场中的电动势:变化磁场变化磁,5,变压器电流关系,楞次定律,-,变压器的电流关系,描述,:,闭合回路中感应电流的方向，总是使得它所激发的磁场来,”,阻碍,”,引起感应电流的磁通量的变化,变化磁场,变化磁场在闭合回路中产生的感生电流,感生电流所产生的磁场,实际通过闭合回路的磁场,i,导体,楞次定律,磁通不能突变,应用,:,通常变压器的电流决定于负载,跟据楞次定律,变压器电流关系楞次定律-变压器的电流关系描述:闭合回路中,6,可用作变压器的软磁材料,可用作变压器的磁性材料,锰锌铁氧体,(Mn-Zn Ferrite):,镍锌铁氧体,(Ni-Zn Ferrite):,功率铁氧体,非晶，超微晶，纳米晶,:,硅钢片,工频变压器,高频开关电源变压器,（,40KHz-2MHz),高频开关电源变压器,（,2MHz),中低频开关电源变压器,（,40KHz),可用作变压器的软磁材料可用作变压器的磁性材料锰锌铁氧体(Mn,7,铁氧体材料的选择,选择磁性材料的关键点：,：磁心的饱和磁密,：磁心的损耗,(,储能与放能之差,),B,H,Hdc,Hdc=0,Hdc,一三相限,:Full bridge,一相限,:forward,DC Bias:flyback,Bac,Bac,Bac,Bm,磁损曲线,BH,曲线,单位体积磁损公式：,材料的损耗指标,:,固定,Pcv,时的,FxB,公式,铁氧体材料的选择选择磁性材料的关键点：磁心的饱和磁密BH,8,不同铁氧体的使用频率,Pcv=100 kw/m3,Pcv=300 kw/m3,Pcv=500 kw/m3,Ferroxcube,3C96,3F35,T=100,10000,40000,50000,200,2000,f(kHz),f*B(HzT),0,3,F4,f,.,B,:Material performance factor,Pcv=100 kw/m3,Pcv=300 kw/m3,Pcv=500 kw/m3,N49,N97,0,1000,5000,50000,f*B(HzT),f(kHz),EPCOS,22000HzT,32000HzT,23000HzT,35000HzT,f,.,B,:,表现一个材料在一个频率下所能通过的,B,的能力,A.,频率提高,磁能材料能够通过功率的能力提高,B.,频率提高到一定程度,会有一个更好的高频材料来接替,不同铁氧体的使用频率Pcv=100 kw/m3Pcv=300,9,磁心的选择,一般情况下,fs300KHz,Bmax,取决磁损,假设频率,fs=400KHz,取单位磁损为,300mw/cc,材质,N49,Bmax=32000HzT/400KHz=80mT,fs,在,150K,至,300K,之间时,Bs,和,Pcv,都考虑,取其小值,.,假设频率,fs=200KHz,材料,3C96,Pcv300mw/cc,B1=0.5*80%*Bs=136mT;B2=28000HzT/200KHz=140mT,取,B1,和,B2,中的小值作为,Bmax=136mT,磁心的,Bmax,的选择方法,磁心的选择一般情况下磁心的Bmax的选择方法,10,不同特性的铁氧体材质,常规的低频材料,飞磁的常规,高饱,低温和高温低频材料,低温,高温,高饱,常规,3C96,常规的高频材料,TDK,低频宽温材料,PC95,对比,不同特性的铁氧体材质常规的低频材料飞磁的常规,高饱,低温和高,11,选择磁心的形状,常用铁心形状,A,EE,EFD,ER,EC,ETD,PQ,RM,选择磁心的形状常用铁心形状AEEEFDER,EC,ETDPQ,12,选择磁心的形状,常用铁心形状,B,EQ,PJ,Planar EE,选择磁心的形状常用铁心形状BEQPJPlanar EE,13,磁心的选择,磁性材料的选择依据,1.,工作频率范围,2.,饱和磁密大小,磁心形状的选择依据,1.,功率密度的要求,2.,成品高度的限制,3.,绕组的多少,4.,线包的引出线形式,磁心的选择磁性材料的选择依据磁心形状的选择依据,14,绕组的结构,Simple,Sandwich,Interleaving,漏 感 减 小,交 流 损 耗 减 小,隔 离 结 构 复 杂,绕组的结构SimpleSandwich Interleavi,15,常 用 导 线,名称,:,漆包线,电磁线,结构,:,圆铜线外覆绝缘漆,规格,:0.04mm-1.0mm,名称,:,三层绝缘线,结构,:,圆铜线外覆三层绝缘膜,耐压,0.05mm,常用作绕组导线,名称,:,多股绞线，,Litz,线，李兹线,结构,:,多根同规格的漆包线制的绞线,规格,:0.1xN,0.12xN,0.2xN,等,常 用 导 线名称:漆包线,电磁线名称:三层绝缘线名,16,常 用 导 线,名称,:,镀锡线，镀锡铜线,结构,:,圆铜线外镀锡,规格,:0.2-1.0,常用作引脚,跳线,需要加绝缘,名称,:,冲压铜片,(,常镀锡,),结构,:,生铜片直接冲压切割成片状绕组的形状,规格,:,厚,0.5-1.0,需加绝缘,名称,:,扁平线,结构,:,扁平的漆包线,规格,:,跟据规格和厂商生产能力,;,宽,:,厚,10,常 用 导 线名称:镀锡线，镀锡铜线名称:冲压铜片(,17,高频交流损耗,集肤效应,(Skin effect):,邻近效应,(Proximity effect):,主电流,主电流在导体外产生的磁场,在导体内回路包围的电流在导体中产生的磁场,在导体自身电流产生的磁场所产生的涡流,方向上,靠近导体表面的电流与主电流同向,而靠近中心的电流与主电流反向,导体内通过交流电流,主电流与自身电流所产生的涡流叠加,使导体截面上电流分布呈现表面电流密度大,内部电流密度小的现像,.,J,x,导体内通过交流电流,主电流与外部磁场所产生的涡流叠加,使导体截面上电流分布呈现左右电流密度分布不均的现像,.,主电流,主电流在导体外产生的磁场,在导体内回路包围的电流在导体中产生的磁场,集肤电流,J,x,外部交流磁场,外部磁场产生的涡流,高频交流损耗集肤效应(Skin effect):邻近效应主电,18,使用工具估算绕组的损耗,Ansoft Maxwell 2D&3D,通过维和维分析，推算变压器的损耗和漏感,优点：较准确,缺点：对硬件要求高；模型要尽可能接近实际,使用工具估算绕组的损耗Ansoft Maxwell 2D&,19,使用工具估算绕组的损耗,Dowell 1D model(Magnetics Design tool),通过,1,维分析，推算变压器的损耗,优点：较准确,可以连续分析,缺点：理想化的模型，对一些结构有简化，简化越多，误差越大,输入电流波形,计算在上面波形下不同导线的,R/Rdc,Litz,线的简化,使用工具估算绕组的损耗 Dowell 1D model(,20,漏磁通与漏感,*,*,n,L,k,L,m,磁通回路全部通过绕组的磁通为励磁磁通,位置上为全部在铁心中,磁通回路有一部分在绕组间的磁通为漏磁通，,位置上为经过窗口的磁通,漏磁通存储的磁场能量,一般情况下，,而与基本相当,所以可以简略认为,漏感与磁场,漏磁通与漏感*nLkLm磁通回路全部通过绕组的磁通为励磁磁,21,漏感的估算,Hmax,H=0,H,w,减小,Lk,的方法,:,1.,拉高窗口宽度或拉宽窗口宽度,(,如平面化,),2.,减小每个磁回路的电流和,(,如三明治或,interleaving),3.,减小,Hmax,的区域体积,(,如减小,P-S,之间距离,),4.,减少圈数,而,:,故,:,漏感的估算HmaxH=0Hw减小Lk的方法:而:故:,22,变压器的设计,变压器的设计,23,开关电源的拓扑,变压器的设计,相关参数,计算,AP,选择铁心,设计绕组,评估变压器性能,开关电源的拓扑变压器的设计相关参数计算AP选择铁心设计绕组评,24,AP法介绍,AP,法,即,Area Product(,面积乘积,),法的简写,走磁通的面积,Ae,走电流的面积,Aw,X,=AP,AP,的计算公式,(,磁心的储能能力,),(,磁心的通过电流的能力,),AP法介绍AP法,即 Area Product(面积乘积,25,双管正激变压器的设计,双管正激变压器的设计,26,设计参数,1.,从电路引入的设计参数,2.,磁性元件的一些常规设计参数,设计参数1.从电路引入的设计参数2.磁性元件的一些常规设计参,27,磁心的选择,1.,计算最大输出功率,2.,计算原边平均电流,Iin,3.,预计算原边电流脉冲,Ipk,I,pk,原边电流波形,4.,预计算原边电流有效值,Iprms,r,Forward,变压器磁心中的回线,DB,磁心的选择1.计算最大输出功率2.计算原边平均电流Iin3.,28,磁心的选择,5.Bmax,的选择,:,fs150KHz,Bmax,取决于,Bs,本例,fs=100KHz,取,Bs,的,80%,为基准,材质,3C96,Bmax=0.5*80%*Bs=136mT,6.AP,计算,:,(,注,:,本例中,Bs,取的是,H=250A/m,时的值,0.37T,而不是,handbook,上给的,1200A/m,时的,0.44T),磁心的选择5.Bmax的选择:fs10mm,线包结构：常规变压器，原副原三明治结构,注意：辅助变压器或需要高漏感的变压器可以考虑用,Simple,结构,而要求低损耗时可以考虑采用,interleaving,结构,绕组的计算与选择 1.,33,绕组的计算与选择,3.,通过一维计算确定导线的优化条件,.,0.5,单层线,0.1x25c,单层线,0.9,单层线,9,圈副边铜箔,/4.5,层,圈副边铜箔,3.5,层,一二次侧边界,主层,次层,原边绕组主次共层,副边绕组主次共层,一二次侧边界,主层,次层,内外原边绕组一个层个层,中间副边绕组次层由主层平分到个组中，各有层,注意：,铜箔的规则与导线相同,如果是,Litz,线，层数还要乘上股数的开方值（如层,0.1x25c,线的损耗层数是,xsqrt(25)=2x5=10,层,绕组的计算与选择 3.,34,绕组的计算与选择,4.,不同线组合的对比列表,.,绕组的计算与选择 4.,35,绕组的计算与选择,5.,导线的选择与排布,.,BBN,的绕,线空间,13.55,4.1,0.1x25c,线径约,0.65mm,每层可布,20,圈，共布,2,层余,4,圈,总厚,0.65x3=1.95mm,0.5,线径约,0.55mm,每层可布,24,圈，共布,2,层少,4,圈,总厚,1.1mm,副边绕组,:0.9TIW,线径约,1.15mm,每层可布,11,圈，一层布完,总厚,1.15mm,0.12mm,铜箔,每层外带,6,层胶带合计,0.48mm,组合,0.1x25c+0.9TIW,sandwich,总厚度,3.76mm,组合,2,0.5+0.9TIW,sandwich,总厚度,2.91mm,铜箔绕组,对比,0.9TIW,当铜箔绕组超过,3,匝,即不合算,绕组的计算与选择 5.,36,绕组的计算与选择,6.,线包结构,.,Top,Bottom,P,绕组,1,24Ts,0.5,实际厚度约,0.5mm,P-S,绕组间绝缘和,Shielding,共厚约,0.42mm,S,绕组,9,圈,TIW 0.9,线 除去绝缘实厚约,0.9mm,P-S,绕组间绝缘和,Shielding,共厚约,0.42mm,P,绕组,2,20Ts,0.1x25c,实际厚度约,0.5mm,PQ2625,组合,2,RM12/I,组合,1,Top,Bottom,P,绕组,1,21Ts,0.1x25c,实际厚度约,0.65mm,P-S,绕组间绝缘和,Shielding,共厚约,0.42mm,S,绕组,7,圈,TIW 0.9,线 除去绝缘实厚约,0.9mm,P-S,绕组间绝缘和,Shielding,共厚约,0.42mm,P,绕组,2,14Ts,0.1x25c,实际厚度约,0.65mm,绕组的计算与选择 6.,37,绕组的计算与选择,7.,导线损耗的计算,.,采用组合,2,方案,0.5+0.9TIW,sandwich,总厚度,2.91mm,原边直流电阻,原边等效电阻,副边直流电阻,副边等效电阻,绕组损耗,绕组的计算与选择 7.,38,铁心的加工,1.,气隙的计算,.,对于正激变压器，电子工程师需要给出一个合适的电感值,以降低铁心中的,Br,例如,:Lp=800uH,较准确的气隙电感计算公式：,气隙可以加工,铁心的加工 1.气隙的,39,铁心的参数计算,1.,实际的交流磁通密度,.,2.,铁心损耗的计算,.,3.,总损耗的计算,.,4.,损耗比重,.,铁心的参数计算 1.实,40,漏感的估算,PQ26/25 RM12/I,13.55,2.74,0.5x24T,0.9x9T,0.5x20T,磁心对称轴,7.1,0.42,0.42,H,24AT,-20AT,14,3.04,0.65x21T,0.9x7T,0.65x14T,磁心对称轴,7.3,0.42,0.42,H,21AT,-15AT,H1,H2,x1 x2 x3 x4 x5 x6,x,x,H,对,x,的函数,漏感能量与电感之间的关系：,计算出来的结果并不能代表实际的结果，但可以对比不同的绕组结构的漏感大小,计算漏感时的线包总厚度不包括线包最外层的胶带厚度,线包截面及相对尺寸,线包截面及相对尺寸,漏感的估算PQ26/25,41,反激变压器的设计,反激变压器的设计,42,设计参数,1.,从电路引入的设计参数,2.,磁性元件的一些常规设计参数,设计参数1.从电路引入的设计参数2.磁性元件的一些常规设计参,43,Flyback的工作模式,1.FLYBACK,的工作原理,*,*,Vin,Lk,Lm,Tx,i,p,i,m,CCM,C,ontinuous,C,urrent,M,ode,连续电流工作模式,DCM,D,iscontinous,C,urrent,M,ode,断续电流工作模式,DCMB,DCM,B,oundary,临界断续电流工作模式,上述模式均指的是,Lm,的工作状态,i,m,CCM,DCM,i,m,DCMB,Flyback的工作模式1.FLYBACK的工作原理*Vi,44,用AP法选择磁心,1.AP,的计算,I,ppk,原边电流波形,I,spk,副边电流波形,2.,计算原边平均电流,Iin,3.,预计算原边电流峰值,Ipk,4.,预计算原边电流有效值,Iprms,1.,输出功率,Po,5.,原边电感值,Lp,7.,计算,AP,6.Bmax,选择,跟据频率选择材料为,3C96,再跟据,Bs,选择,Bmax=Bac=0.1036,用AP法选择磁心1.AP的计算Ippk原边电流波形Ispk副,45,铁心的选择,跟据,AP,选择铁心,跟据下表选择,PJ3018,选择条件：,1.flyback 2.,假设限高,20mm 3.,要求高功率密度,4.,无风,BBN for J3018,铁心的选择跟据AP选择铁心跟据下表选择PJ3018选择条件：,46,圈数的计算与选择,1.,圈比的计算,.,2.,圈比的合理性,.,n=4.46,满足要求,3.,圈数的计算,.,Mos,耐压,Vds=600V,裕量,Vdsmargin=150V,Diode,耐压,Vdm=150V,裕量,Vdmmargin=50V,回算：,取：,圈数的计算与选择 1.,47,圈数的计算与选择,3.,验算圈比和,Duty Cycle,.,4.,计算气隙,.,5.,铁心中磁通的计算,.,满足要求,满足要求,跟据,得到,可以加工,交流磁通,直流磁通,最大磁通,满足要求,圈数的计算与选择 3.,48,绕组的计算与选择,1.,计算导线截面积,.,前面已得出：,Iprms=1.046A Jp=500A/cm,2,对于反激电路，副边电流,前面给定,Js=500A/cm,2,2.,导线类别和线包结构的初选,.,原边线径,单心线,0.55mm,多股线,0.1x30C,副边线径,TIW,均小于,1.0,取,TIW0.8x2,线包结构：常规变压器，原副原三明治结构,绕组的计算与选择 1.,49,绕组的计算与选择,3.,在,design tool,中计算,Re/Rdc,.,4.,导线的排布,.,P,绕组,1,14Ts,0.1x30c,实际厚度约,0.75mm,P-S,绕组间绝缘和,Shielding,共厚约,0.42mm,S,绕组,7,圈,TIW 0.8x2,线,2,层 除去绝缘实厚约,1.9mm,P-S,绕组间绝缘和,Shielding,共厚约,0.42mm,P,绕组,2,17Ts,0.1x26c,实际厚度约,0.75mm,其中内层,13,圈,外层,4,圈,占用,1.5mm,线包总厚度,:5.1mm BBN,壁与,Core,之间,5.35mm,绕组的计算与选择 3.,50,绕组的计算与选择,5.,绕组损耗的计算,.,0.1x30C+0.8TIWx2,sandwich,总厚度,2.91mm,原边直流电阻,原边等效电阻,副边直流电阻,副边等效电阻,绕组损耗,考虑到气隙的扩散效应造成的损耗，,Pw,估测损耗增加,30%,绕组的计算与选择 5.,51,变压器的其它性能参数,.,铁心损耗,.,2.,变压器总损耗耗,.,3.,变压器损耗比重,.,变压器的其它性能参数,52,变压器的其它性能参数,4.,漏感的估算,.,H,对,x,的函数,漏感能量与电感之间的关系：,计算出来的结果并不能代表实际的结果，但可以对比不同的绕组结构的漏感大小,10.7,4.49,0.75x14T,0.8x7T,0.75x17T,磁心对称轴,7,0.42,0.42,H,14AT,-17AT,x,线包截面及相对尺寸,变压器的其它性能参数,53,Flyback辅助绕组的电压调整,常见做法,:,主输出,Vo1,有反馈控制,辅助输出不控,由,Nso1,与,Nso2,的变比决定输出电压,常见问题,:,主输出,Vo1,重载,Vo2,电压漂高,.,多路输出的交差调整问题,漂高原因,电压,spike,解决方法,:,1.,加强辅助绕组与受控副边间的偶合,强化受控输出对辅助输出电压的钳位,(,主要因素,),2.,尽可能地减小辅助输出与原边间的偶合，减小原副边转换时的电压尖峰对辅助绕组的影响,(,次要因素,),做法：,P,S1,Aux(S2),Aux,Sec,Pri,Good couple,Bad couple,Flyback辅助绕组的电压调整常见做法:常见问题:多路输出,54,全桥变压器的设计,全桥变压器的设计,55,设计参数,1.,从电路引入的设计参数,2.,磁性元件的一些常规设计参数,设计参数1.从电路引入的设计参数2.磁性元件的一些常规设计参,56,用AP法选择磁心,1.AP,的计算,I,pk,原边电流波形,2.,计算原边平均电流,Iin,3.,预计算原边电流脉冲,Ipk,4.,预计算原边电流有效值,Iprms,1.,输出功率,Po,6.,计算,AP,5.Bmax,选择,跟据频率选择材料为,DMR44,全桥磁心在,1-3,相限工作，,跟据,Bs,选择,Bmax=Bac=0.2017,用AP法选择磁心1.AP的计算Ipk原边电流波形2.计算原边,57,铁心的选择,跟据,AP,选择铁心,跟据下表选择,PQ3230,选择条件：,1.,全桥,2.,假设限高,35mm 3.,要求高功率密度,4.,有风,PQ3230,BBN,绕线空间,铁心的选择跟据AP选择铁心跟据下表选择PQ3230选择条件：,58,圈数的计算与选择,.,圈数的计算,.,复算,Np,圈数的计算与选择 .,59,圈数的计算与选择,2.,原边无气隙电感的计算,.,MPL=71.8mm,Ae=149mm2,Bac=200mT,3.,变压器的变比,.,4.,实际最大占空比,.,D,最大值满足要求,圈数的计算与选择 2.,60,绕组的计算与选择,1.,计算导线截面积,.,前面已得出：,Iprms=4.99A Jp=600A/cm,2,对于全桥电路，副边电流,前面给定,Js=600A/cm,2,2.,导线类别和线包结构的初选,.,原边线径,单心线,0.8mm,多股线,0.1x50C,副边线径,线径过粗,选用铜箔,0.1x16,常规绕法,绕组的计算与选择 1.,61,绕组的计算与选择,3.,在,design tool,中计算,Re/Rdc,.,厚度大于,0.2mm,的铜箔,损耗基本相同,绕组的计算与选择 3.,62,绕组的计算与选择,4.,导线的排布,.,P,绕组,1,14Ts,0.1x50c,实际厚度约,0.95mm,P-S,绕组间绝缘和,Shielding,共厚约,0.42mm,S1,和,S2,各,1,圈,0.2x16,铜箔,实厚,0.7,P-S,绕组间绝缘和,Shielding,共厚约,0.42mm,P,绕组,2,14Ts,0.1x50c,实际厚度约,095mm,常规结构,绕组的计算与选择 4.,63,绕组的计算与选择,5.,绕组损耗的计算,.,0.1x50C+0.2X16 copper,sandwich,总厚度,2.91mm,原边直流电阻,原边等效电阻,副边直流电阻,副边等效电阻,绕组损耗,绕组的计算与选择 5.,64,变压器的其它性能参数,.,铁心损耗,.,2.,变压器总损耗耗,.,3.,变压器损耗比重,.,变压器的其它性能参数,65,变压器的其它性能参数,4.,漏感的估算 常规结构,.,H,对,x,的函数,漏感能量与电感之间的关系：,计算出来的结果并不能代表实际的结果，但可以对比不同的绕组结构的漏感大小,18.5,3.44,0.95x14T,0.2x2T,0.95x14T,磁心对称轴,7.95,0.42,0.42,H,14AT,-14AT,x,变压器的其它性能参数,66,变压器参数的设计优化,1.,变压器损耗的最优化推导,2.,绕组损耗的影响因素,变压器参数的设计优化1.变压器损耗的最优化推导,67,变压器损耗的最优条件,变压器的电路模型,*,*,n,L,k,L,m,变压器的电路等效模型,L,k,L,m,R,pri,R,sec,R,m,R,o,i,p,i,m,i,s,漏感,原边绕组损耗,励磁电感,副边绕组损耗,铁损,等效负载,V,i,Pw,Pc,跟据最小值原理,当 时,效率,达到变压器的最大值,.,即,当,Pw=Pc,时,变压器获得最大效率,本推导是在一定的简化条件下才成立的,V,o,变压器损耗的最优条件变压器的电路模型*nLkLm变压器的电,68,变压器损耗的最优条件,条件,:,此时,:,当,变压器损耗的最优条件条件:此时:当,69,选定铁心后的效率优化,绕组损耗,:,特定铁心损耗,(,定频,):,输入功率,:,当原副边导线填充率相同时,:,Min(,Pi,),将上式代入,Pw,和,Pc,公式得到,:,对于多数磁性材料来说,x,在,2-3,之间,所以,Pc=0.61*Pw,根据效率的不同优化条件可以得到不同的最高点,但,Pc,和,Pw,的差距总在来说不宜太大,选定铁心后的效率优化绕组损耗:特定铁心损耗(定频):输入功率,70,影响绕组损耗的因数,1.DCR:,所选铁心的,MLT,圈数和线径*股数,2.R,winding,:,绕组的选线和排布,Hmax,H=0,跟据交流损耗的原理,平行排布的同向电流的导体,其平行,2,侧的,H,值越大,交流损耗越大,H,w,Hmax,H=0,W,w,减小,H,的方法,:,1.,拉高窗口宽度或拉宽窗口宽度,(,如平面化,),2.,减小每个磁回路的电流和,(,如三明治或,interleaving),影响绕组损耗的因数1.DCR:所选铁心的MLT,圈数和线径*,71,Q&A,Q&A,72,