电感变压器选型与应用.ppt

电感器变压器选型与应用 咸阳金山益昕电子科技有限公司 电路中的磁性器件 如何选型 如何提参数 磁性元器件 电感器和变压器与其他电气元件不同 使用者很难采购到符合自己要求的电感和变压器 因为没有一个在规定范围内通用的规范化的参数 而表征磁性元件的大多数参数 电感量 电压 电流 处理能量 频率 匝比 漏感 损耗 对制造商是无所适从的 磁性器件设计思路 磁性元件的分析和设计比电路设计复杂得多 要得到唯一的答案是困难的 因为要涉及到许多因素 因此设计结果绝不是唯一合理的 考虑的不仅是最小体积 最低成本 或最高效率 还要包含结构 工艺 散热以及干扰等设计 高频开关电源的很多麻烦是由于磁性元件工艺 结构不合理引起的 电感器 电感器是依据电磁感应原理 由导线绕制而成 在电路中具有通直流 阻交流的作用 在电路图中用符号L表示 主要参数是电感量 单位是亨利 用H表示 依据电磁感应原理 电感器派生出很多种器件 Z R jXR L0 X L0 电感器种类 1小型固定电感器小型固定电感器通常是用漆包线在磁心上直接绕制而成 主要用在滤波 振荡 陷波 延迟等电路中 它有密封式和非密封式两种封装形式 两种形式又都有立式和卧式两种外形结构 1 卧式密封固定电感器卧式密封固定电感器采用轴向型引脚 有LG1 LGA LPH等系列 LG1系列电感器的电感量范围为0 1 100000 H 额定电流分为50mA 150mA 300mA 700mA和1 6A五种规格 LGA系列电感器采用超小型结构 外形与1 2W色环电阻器相似 其电感量范围为0 22 1000 H 额定电流为0 04 1 4A LPH系列电感器也为小型封装结构 其电感量范围为3 9 18000 H 误差范围为 5 20 2 立式密封固定电感器立式密封固定电感器采用同向型引脚 有LG2P LG2S LPV等系列 电感量范围为0 1 100000 H 额定工作电流为0 05 2 0A 误差范围为 5 20 2可调电感器其外部为金属屏蔽罩 内部由尼龙衬架 工字形磁心 磁帽及引脚座等构成 在工字磁心上有用高强度漆包线绕制的绕组 磁帽装在屏蔽罩内的尼龙架上 可以上下旋转动 通过改变它与线圈的距离来改变线圈的电感量 3阻流电感器阻流电感器是指在电路中用以阻塞交流电流通路的电感线圈 它分为高频阻流线圈和低频阻流线圈 1 高频阻流线圈 高频阻流线圈也称高频扼流线圈 它用来阻止高频交流电流通过 高频阻流线圈工作在高频电路中 多用采空心或铁氧体高频磁心 骨架用陶瓷材料或塑料制成 线圈采用蜂房式分段绕制或多层平绕分段绕制 2 低频阻流线圈 低频阻流线圈也称低频扼流圈 它应用于电流电路 音频电路或场输出等电路 其作用是阻止低频交流电流通过 电感器分类 4按应用原理分类储能类 包括起储能作用的储能电感器 谐振电感器 开关电源电感器 BUCK电感 BOOST电感等 EMI滤波类 包括差模电感器 共模电感器 无源PFC电感器 LC滤波电感器 起交流和直流滤波作用的滤波电感器 起抑制电磁干扰作用的电磁干扰滤波电感器 尖峰抑制电感器 起抑制噪声作用的噪声滤波电感器 起吸收浪涌电流作用的吸收电感器 起减缓电流变化速率的缓冲电感器 其他类 起开关作用的磁性开关电感器 起帮助半导体开关换向作用的换向电感器 起调节电感作用的可控电感器和饱和电感器 5按封装结构分类金属壳密封类 金属密封壳装有单独制造的出头和引出端 此类别不包括用绝缘引线穿过金属壳的电感器 灌封类 包括模注灌封或包封结构 以及包括具有金属壳 一端或者两端敞开并用灌封材料填充的电感器 或者用用绝缘引线穿过金属壳的电感器 开放类 开放类就是除金属壳类 灌封类以外的电感器 包括端封式结构的电感器 电感器的损耗与漏磁 1 电感量反应电感储存磁场能的本领 它的大小与电感线圈的匝数 几何尺寸 有无磁心 铁心 磁心的导磁率有关 在同等条件下 匝数多电感量大 线圈直径大电感量大 有磁心比没磁心电感量大 用于高频电路的电感量相对较小 用于低频电路的电感量相对较大 电感量的单位为亨 H 电感器的主要参数 L I NAeB I N2AeB Hle 0 eN2Ae le 2 标称电流值电感器长期工作不损坏所允许通过的最大电流 它是高频 低频扼流线圈和大功率谐振线圈的重要参数 常以字母A B C D E来分别表示标称电流值50mA 150mA 300mA 700mA 1600mA 应用时实际通过电感器的电流不宜超过标称电流值 3 品质因数 Q值 电感线圈中储存能量与消耗能量的比值称为品质因数 又称Q值 或是线圈所呈现的感抗与线圈直流电阻的比值 Q wL R 电感器的Q值一般为50 300 Q值与线圈的结构 导线粗细 多股或单股 绕法 磁心 有关 Q值越高 电路的损耗越小 在调谐回路中 要求Q较高 以减小与线圈回路的损耗 在滤波回路中 Q值不宜过高 以免使其与滤波电容构成谐振回路 对电路产生影响 对于高频扼流圈和低频扼流圈不做要求 4精度等级允许偏差是指电感器上标称的电感量与实际电感的允许误差值 一般用于振荡或滤波等电路中的电感器要求精度较高 允许偏差为 0 5 而用于耦合 高频阻流等线圈的精度要求不高 允许偏差为 10 20 5 分布电容 指线圈匝与匝之间形成的分布电容 它降低了线圈的品质因数Q 也使线圈的工作频率受到限制 高频线圈采用减小线圈骨架直径 采用细导线绕制 蜂房式或分段式绕法就是为了减少分布电容 6 自谐频率 电感在其SRF时 电感的分布电容与电感值产生共振 此时电感值与电容值相等而互相抵销 电感的Q值在共振频率时 Q 0 XL 0 故此时电感出现具高阻抗值 电感超过此频率则失效成电容性产品 故一般讯号用电感会订SRFmin我们知道谐振频率f 1 2 LC 该式里有2个参数决定f 就是L和C 由式可知 LC越小 频率越高 在电容一定的情况下 可以考虑减小电感 提高自谐振频率 如果电感一定 就要考虑怎么减小分布电容 而电容的公式是C S 4 kd 这里有三个变量 S和d 介电常数 也就是电感里面的填充材料 看是否有可选材料减小介电常数 另一个是S 就是减小接触面积 也就是电感里面的每一圈绕线的接触面积减小 第三个是d 可以考虑每一圈线疏绕 或者用高u的磁芯 减少绕线圈数等 气隙对磁特性的影响 磁棒的有效磁导率 磁性材料的磁能储能特性 最大值 E储能 1 2LI2 1 2 H2 3C94 应力对磁性能的影响 变压器 变压器也是一种电感器 它是将两组及以上的线圈绕在同一个线圈骨架上 或绕在同一铁心上制成的 是利用两个电感线圈的互感应现象来传递交流电信号和电能的 变压器的种类 特性 1变压器按工作频率可分为高频变压器 中频变压器和低频变压器 2变压器按其用途可分为电源变压器 音频变压器 中频变压器 高频变压器 脉冲变压器 恒压变压器 耦合变压器 自耦变压器 隔离变压器等多种 3变压器按铁心 磁心 形状可分为 E 型变压器 C 型变压器和环型变压器 变压器的损耗与漏磁 磁性材料的磁能传递特性 P传输磁能 fB NAeI 漏感对性能的影响 漏感公式 Ls 0N2dg hN为初级匝数 h绕线宽度 d为两线圈间隙高度 g两线圈间的平均周长C 2 r 1 减少初级匝数可以降低漏感 N减小Ls减小 2 增加绕线宽度 h增大Ls减小 3 减小绝缘厚度 d减小Ls减小 4 减小绕组层数 g减小Ls减小 5 不满层的绕组选择疏绕满层 h增大Ls减小 6 绕组绕紧且分布均匀 减小g来减小Ls 7 减小气息 降低漏感 8 增加耦合减小漏感 用三明治绕法 1 额定功率指在规定频率和电压下 变压器长期工作而不超过规定的温升的最大输出功率 额定功率中会有部分无功功率 故单位为VA 一般在数百伏安以下 2 变压比n是指变压器一 二次绕组电压比 如果忽略了铁心 线圈的损耗此值近似等于一 二次绕组的匝数比 这个参数表明了该变压器是升压变压器还是降压变压器 n U1 U2 N1 N23 电流与电压的关系若不考虑变压器的损耗 则U1 I1 U2 I2或U1 U2 I2 I14 阻抗变换关系初级输入阻抗Z1与次级负载阻抗Z2的关系可由欧姆定律导出 U1 Z1 I1U2 Z2 I2代入上式得到Z1 Z2 U1 U2 2 n2Z1 n2Z2所以变压器有变换阻抗的作用 变压器的参数 5 效率 在额定负载时 变压器输出功率占输入功率的百分数 Po Pi 100 它与设计参数 材料 制造工艺及功率有关 通常20VA以下效率为70 80 而100VA以上效率可达95 以上 一般电源 音频变压器考虑效率 中频 高频变压器不考虑效率 6 绝缘电阻和耐压强度是变压器安全工作的重要参数绝缘电阻 变压器线圈之间 线圈与铁芯之间以及引线之间的电阻 抗电强度 在规定时间内 如 分钟 变压器可承受的电压 小型电源变压器绝缘电阻不小于500M 抗电强度大于2000V 变压器的特性 特点 1 产品呈平板状 体积小 厚度小 符合电源的模块化发展趋势 3 工作频率高 功率密度大 平板变压器能设计为高频变压器 提供一种既经济又好的变压器模块 它可工作在100kHz 2000kHz之间 因为平板变压器元件的尺寸很小 它具有极好的温度耗散特性 所以能和有关的半导体器件和电感紧密地封装在一起 实现高功率密度 4 工作效率高 可达98 99 调节漏电感 使它能具有很快的开关时间 很低的交叉损耗 就能使它达到很高的效率 这种变压器副边绕组和原边绕组之间的匝间传导损耗是很小的 5 极好的热耗散特性 平板变压器是具有高表面积体积比 很短的热通道的小元件 有利于散热 原边和副边绕组之间的匝间损耗很小 这种磁心特有的几何外形 能有效地减小磁心损耗 所以它能做到高磁通密度 它可在 55 130 之间工作 6 电磁辐射干扰小 绕组和绕组之间的良好耦合 就能使绕组匝间的漏电感保持在最小值 输出端到辅助部件的连线很短 而且是紧装配 所以绕组相互之间连线上的漏电感也是最小的 因此电磁辐射干扰小 7 可靠性高 8 绝缘强度高 平面变压器 种类 第一种是平板铁氧体磁心 传统绕线型绕组结构 主要一些高频 高压小功率变压器 与传统变压器比优势不大 第二种是平板铁氧体磁心 铜箔式绕组结构 主要应用在需要输出低压大电流的高频 大功率开关电源模块中 第三种是平板铁氧体磁心 PCB印制板绕组 主要是一些高频 中小功率的变压器 第四种是采用LTCC 瓷低温共烧 工艺 在铁氧体薄片上印刷绕组 形成绕组阵列 多层黏结叠加 共烧成一体 主要是在高频小信号线路中信号宽带传输 隔离等作用 平面变压器种类 磁心选择 铜线选择 趋肤效应 当导体中有交流电或者交变电磁场时 导体内部的电流分布不均匀 且电流集中在导体的 皮肤 部分的一种现象 导线内部实际上电流变小 电流集中在导线外表的薄层 结果导线的电阻增加 使它的损耗功率也增加 集肤深度 分别对应室温20 和温度100 有 6 6 f和 7 65 f两个公式 结果为cm 根据集肤深度选择铜导线的直径或厚度 铜导体的集肤深度 20 在高频电路中存在集肤效应的影响 频率越高集肤效应越严重 如1MHz集肤效应在60 m厚层面 500MHz集肤效应在3 0 m厚层面 1GHz集肤效应在2 1 m厚层面 10GHz集肤效应在0 7 m厚层面 信号沿着导线表面 包括四侧面 流动 希望导线表面平滑 因粗糙表面会延迟信号传输时间 现在印制板用铜箔粗化面是2 m 3 m 凹凸轮廓还显大 要求更低轮廓铜箔以满足高频电流的传输 平面变压器特点 五种拓扑结构的变压器 1 反激变压器特点 电路简单 效率高 输出电压波纹较大 处理功率在150w以下 最大占空比0 45 应用于电压和负载调整率不高的场合 6 10 小功率多组输出特别有效 和其他拓扑结构不同 磁心必须加气隙防饱和 2 正激变压器特点 电路比较简单 铜耗比较低 输出电压电路纹波较小 变压器磁心单边磁化 开关管峰值电流较低 变压器不必加气隙 但为了减小Br 有时加很小气隙 最大占空比0 45 处理功率300w以下 3 推挽变压器特点 磁心利用率高 存在磁心偏磁 器件承受电压高 是两倍的电源电压 最大占空比0 9 处理功率500w 4 半桥变压器特点 变压器原边一个线圈 但双边磁化 变压器利用率高 变压器原边工作电压为输入电源电压的一半 分压电容C1和C2能自动消除变压器的直流偏磁 原边存在电压短路的可能性 最大占空比0 9 处理功率达到1000w 5 全桥变压器特点 变压器原边一个线圈 但双边磁化 变压器利用率高 变压器原边工作电压为输入电源电压的 存在直流偏磁 原边存在电压短路的可能性 最大占空比0 9 处理功率大于1000w 铁磁材料内部往往有相邻的几百个分子电流圈流向一致 在退磁场和各向异性场作用下 在这些极小的区域内就形成了一个个天然的磁性区域 磁畴 磁性来源 铁磁材料内部的磁畴排列杂乱无章 磁性相互抵消 因此对外不显示磁性 铁磁材料之所以具有高导磁性 是因为在它们的内部具有一种特殊的物质结构 磁畴 磁畴因受外磁场作用而顺着外磁场的方向发生归顺性重新排列 在内部形成一个很强的附加磁场 a 无外磁场情况 b 有外磁场情况 亚铁磁性 磁滞回线中H为零时B并不为零的现象说明铁磁材料具有剩磁性 B c b a 起始磁化曲线 oa段是线性段 ab段是上升段 bc段是磁化曲线的膝部 C点以后是饱和段 起始磁化曲线的ab段反映了铁磁材料的高导磁性 c点以后说明铁磁材料具有磁饱和性 磁滞回线中B的变化总是落后于H的变化说明铁磁材料具有磁滞性 软磁材料反复磁化一周所构成的曲线称为磁滞回线 磁化曲线 B H B H B H A 无外磁场时 B 起始阶段 可逆位移或旋转 C 陡峻阶段 不可逆位移 D 饱和阶段 可逆旋转 磁化机理 磁化曲线测量 H NI LeLe有效磁路长度B H 导磁率 BAe 直流偏磁 反激变换器 脉冲变压器 磁性参数与测量 1起始磁导率 i i是材料在弱场磁化过程中的一个宏观特性表示量 是磁性材料的磁导率 B H 在磁化曲线始端的极限值 i i L 4 6N2hlg D d 107 适用于环形磁芯 作功率变换的开关电源变压器磁芯是工作在高磁通密度下 因此必须引入振幅磁导率参数才能真实反映出功率型磁芯在高磁通密度下的磁特性 1 0 B H 式中规定的B值比测时高出数百倍以上 例如 200mT 2振幅导磁率 磁性参数 3截止频率fr 由于软磁材料畴壁共振和自然共振的影响 随着频率提高 使软磁材料的 值下降为起始值的一半且 值达到峰值时的频率 称为截止频率 f 镍锌铁氧体磁导率的频谱特性 复数磁导率的应用 宽带变压器 传输线变压器 居里温度是磁性材料从铁磁性到顺磁性的转变温度 在这个温度磁性材料的磁性将变得很小或消失 它的表示方式有很多 我们一般按下图进行测量 即随着温度升高 磁导率下降到最大值的80 及20 时 两点的联线 延长到与温度轴的交点即为居里温度 4居里温度Tc 磁性参数 磁性参数与测量 5损耗因子tan tan Rs Ls表示小信号下材料的损耗特性 由于磁芯损耗引起信号相移 Rs 磁芯及线圈损耗的等效电阻 Ls 装有磁芯的线圈的自感量 6品质因素Q Q 1 tan 磁性器件作滤波器的电感时 通常用品质因素Q来表示它的质量 Q与频率和绕组参数有关 7功率损耗Pc 大信号下 Pc Ph Pe Pr Ph Pe Pr表示磁滞 涡流 剩余损耗 通过一个闭合回路的磁通量发生变化时 回路中就有感应电流产生 该现象称为电磁感应现象 产生的电流称为感应电流 相应的电动势为感应电动势 电磁感应现象 自感与互感 自感 当线圈中电流变化时 它所激发的磁场通过线圈自身的磁通量也在变化 使线圈自身产生感应电动势 叫自感现象 该电动势叫自感电动势 互感 当线圈1中的电流变化时 所激发的磁场会在它邻近的另一个线圈2中产生感应电动势 这种现象称为互感现象 该电动势叫互感电动势 互感电动势与线圈电流变化快慢有关 与两个线圈结构以及它们之间的相对位置和磁介质的分布有关 磁路基本定律 应用 磁性材料分类 软磁材料的主要应用方向 常见软磁材料性能比较 金属磁粉心 金属磁粉心特性 作为功率扼流圈 铁粉芯主要用于50kHz以下的频段 高出此频段损耗太大 正如硅钢片用在1kHz以上频段 必须注意 在上述金属磁粉芯中 只有铁粉芯具有相对较大的磁致伸缩因子 所以在应用到含有音频功率信号的场合经常会听到噪声 铁粉芯在军工领域应用很少 高磁通粉芯由于具有最好的直流偏磁性 缘于最高的Bs 很低的功耗 是制作功率扼流圈最好的材料 用高磁通粉芯制作的扼流圈可以实现体积最小化 同时高磁通粉芯是军工领域制造差模滤波器最理想的材料 Mn Zn铁氧体 锰锌功率铁氧体 在PC50后 TDK相继推出超低功耗材料PC44 PC45 PC46 PC47 其功率损耗较PC40降低了约1 4 1 3 主要差别就在于功耗最低点温度不同 PC45为60 80 PC46为40 50 PC47则是100 它们有一个明显的缺点 一旦偏离了功耗最低点 损耗值急剧上升 2003年其推出的PC95则属于宽温低功耗功率铁氧体新材料 起始磁导率为3300 25 25 时饱和磁通量密度为540mT 100 时为430mT 25 120 内功率损耗均小于350Kw m3 B 200mT f 100KHz 在25 和120 时 功耗均为350Kw m3 80 时为280Kw m3 这种材料是目前性能最为优良的功率铁氧体材料 B 镍锌系 组成约为 Fe2O350 NiO24 其他为 ZnO电阻率很高 107ohm cm 工作频率高铁心损耗较锰锌系高居里温度高型式 DR R 环形等 用途 常模滤波器 储能电感等 磁性材料特点 谢谢 2014年8月