dcdc变换器中磁性元件的设计

1、DC/DC 变换器中磁性元件的设计 目目 录录 摘 要1 ABSTRACT1 1 绪纶1 1.1 变压器设计概述 1 1.2 电感设计概述 3 1.3 磁集成技术简介 4 1.4 本文选题意义和研究的内容 4 2 DC/DC 变换器磁性元件设计理论及其设计方法 5 2.1 磁性元件损耗、漏磁、散磁分析及其设计原理 5 2.2 DC/DC 变换器磁芯工作状态.7 2.3 各类 DC/DC 变换器中磁性元件设计方法 8 2.4 磁性元件结构和工艺设计 .12 3 磁集成技术 .13 3.1 集成磁件的分析方法 .13 3.2 集成磁件具体应用磁件的集成 .15 3.3 磁集成方式 .16 4 ZVS-ZCS 三电平 DC/DC 变换器中磁性元件设计 .17 4.1 ZVS-ZCS TL 工作原理和磁件参数计算.18 4.2 磁性元件设计 .19 4.3 实验验证 .23 5 结 语24 致 谢25 参考文献.25 DC/DC 变换器中磁性元件的设计 1 DC/DC 变换器中磁性元件的设计 摘 要： 磁性元件是 DC/DC 变换器中的关键部分，它决定了变换器体积效率等多方面性能。本文结合 几

2、种典型的 DC/DC 变换器归纳了磁性元件分析与设计的方法，得出了磁性元件设计原理；对 DC/DC 变换器（正激式、反激式、半桥全桥以及推换式）按磁芯工作状态分类，分别介绍了 各类磁性性元件设计过程；并对磁件结构和工艺进行了研究;而后分析了集成磁件分析与建 模方法，以及磁件集成的推导过程。最后结合 ZVS-ZCS 三电平 DC/DC 变换器对磁性元件进行 了设计，介绍了具体设计过程以及三电平变换器。 关键词： 磁性元件、DC/DC 变换器、磁集成技术、三电平、倍流整流。 Abstract: Magnetic element is one of main parts in DC/DC converter, which determines several kinds of performance of converters such as volume and efficiency. This paper summarizes the means of designing and analyzing magnetic components and obtains the designin

3、g principle .According to different functional modes of magnetic core of DC/DC converters (Forword, Flyback,Half bridge,Full-bridge and Push-pull converter ) ,various designing process are presented respectively . Then it analyzes the structure of magnetic components and crafts. The methods of modeling and deducing of integrated magnetic elements are also presented. In addition, it designs the magnetic components and introduces TL converter combining ZVS-ZCS TL DC/DC. Keywords: Magnetic, DC-to-D

4、C converter ,Magnetic integration, Three level converter ,Current double rectify 1 绪纶 磁性元件是开关电源中重要的组成部分，它是能量储存与转换、电气隔离与滤波的主 要器件。它从以下几个方面影响了变换器的整体性能：磁性元件是影响变换器体积和 重量的主要因素磁性元件参数的选取直接影响变换器的输出电流脉动和动态性能磁 性元件直接影响变换器效率磁性元件寄生参数直接影开关管的电流应力和压降 因此开关变换器设计的成败很在程度上取决于磁性元件的设计正确设计和制作。磁性 元件设计涉及诸多因素，设计结果不唯一，正确的设计不仅包括参数的计算，还包含结 构、工艺设计等问题。 高频化、平面化、集成化、混合化是高频磁技术发展的趋势。常用提高频率的方法来 减小磁件的体积、重量、改善滤波性能；但是频率的提高会受到整机效率的限制，高频 时为了减小磁芯损耗，要降低磁通摆幅，所以磁芯利用率不高限制了磁性元件体积的减 小。为了进一步减小磁件的体积和损耗，同时保证整机的性能，从而提出了磁集成技术。 1.1 变压器设计概述 要使变压器效率高、体

5、积小、成本低、寄生参数影响少，必须科学合理的设计变压 器。在给定绝缘等级和应用环境条件下，选取较高的B 值，可以减少匝数，但磁芯损 耗Pc 增加；线圈匝数减少，导线电阻减少，线圈损耗PW 下降；反之，Pc 增加，而PW 减 少，当PWPC 时变压器损耗最小，体积也最小。因此要选用最合适的磁性材料和磁芯型 号。为了减小漏感、激磁电感等寄生参数，就得采用合理的结构和制作工艺. DC/DC 变换器中磁性元件的设计 2 1.1.11.1.1 变压器设计过程变压器设计过程 首先确定设计参数，选择磁芯；再确定原副方匝数及线径，计算损耗和温升并校验； 最后进行结构和工艺设计. 所要确定的设计参数有：开关频率、输入电压、输出电压/电流、温升和最大损耗 限制、占空比限制工作条件等。 按开关变换器特点和磁芯不同的工作状态选择磁芯材料和形状. 根据磁芯在变换器中四种不同工作状态：有直流偏磁的单向磁化，无直流偏磁的单 向磁化，双向磁化和饱和电感磁化变换器.将磁芯工作状态分为四类. 软磁材料的主要性能参数及主要应用方向如下表: 表 1.1 磁性材料性能及主要参数 不同磁芯结构特点如下： 表 1.2 不同结构磁芯

6、特点 选择磁芯型号的方法： Ap 法：由公式计算出 Ap 值，根据 Ap 并留一定余量选 1 41 10 Ap X T ofwwj P K K f B K 取磁芯型号。窗口使用系数 K0一般取 0.4；波形系数 Kf为 4/4.44;电流密度系数 Kj 查表 可得； 工作频率 fw已知。 PT为视在功率，按变压器结构和效率确定。工作磁感应强度 Bw 按工作态和所用磁性材料确定。受饱和磁感应强度和磁芯损耗限制。与工作频率和温 度有关，一般的铁氧体材料 Bw取值为 25kHz25kHz3000Gs50kHz3000Gs50kHz2000Gs100kHz2000Gs100kHz 1500Gs200kHz1500Gs200kHz1000Gs1000Gs 磁芯优点缺点 EE 型磁芯具有较大矩形截面积，宽窗口，形状简单，制造 容易，扩展功率容易，可作为大功率变压器磁芯。 矩形截面粗导线绕线 困难和窗口利用差。 ETD 型和 EC 型磁芯 具有圆形中心柱截面，绕线匝长较矩形截面短。 易于实现机械化。宽而大的窗口，耦合好，相同 处理功率情况下可得到最佳的尺寸和重量. 但不能象矩形截面宽 展功率 P（罐

7、）型 磁芯 罐型磁芯具有优良的磁屏蔽性能，线圈长度短。 适用于低功率。 出线缺口小、出线困 难同时高压隔离难。 环型磁芯宽的窗口，散磁通少，线圈耦合好，散热也好。但绕线困难。 材料 硅钢片 金属磁粉芯 叵莫合金 非晶微晶 Mn-Zn Ni-Zn 应用频率(Hz) 50-1k 1k-100M 1M i 103 10-500 103-4 10k-100k 800-15000 5-1500 Bs(mT) 1500-2000 700-1500 700-1500 1200-1500 350-500 250-350 Tc() 300 300 300 200-600 120-250 120-450 主要应用 变压器 电抗器 电感 音频变压器 脉冲变压器 变压器 电感 变压器 电感 变压器 电感 DC/DC 变换器中磁性元件的设计 3 图 1.3 铁氧体材料特性曲线 Kg 法，a 为电压调整率。根据 Kg 值 224 10 2 T sw P Kgf B aKe 2 f 其中: Ke=0. 145K 查表与 Ap 法类似。 查表法，根据变换器输出功率 Po 和变换器种类，直接用厂家提供的磁芯选择图或 表

8、进行选择。 经验设计法，开关电源变压器选择铁氧体磁芯体积的一般经验：按 100kHz 以内普 通变压器 3-10W/g、100-500kHz 平板变压器 10-20W/g 选择；变压器功率越大，体积越 大，取值可以越大；变压器工作频率越高，取值可以越大；散热条件越好，取值可以越 大。原副方匝数及线径。 原方匝数按或确定。再按主电路拓扑计 minmaxVsTon Np BAe 1 fswe V Np K f B A 算匝比 K，从而得出副边匝数。其中要根据图 1-1、图 1-2 按磁芯损耗和饱和限制选B 取， 导线型号确定.电流密度 J 一般取 4-6.5A/mm2,还要考虑集肤效应.当导线截面积小 于集肤深度时，交流电阻与直流电阻比值很大，线圈损耗大，导线利用率低。要用多根 细导线并联。 损耗、温升及最大磁感应强度计算并校验。变压器损耗包括磁芯损耗 Pc和线圈损 耗 Pac + Pdc。Pc按图 1-1b 比损耗曲线由磁通摆幅频率得到比损耗 k, Pc=kVe。 Pac=I2Rac,Pdc=I2Rdc.Rdc由所用导线长度和电阻率得出，Rac与 Rdc的比值和集肤深度 有关。温升，为热

9、阻系数，P 为变压器总损耗。再计算最大磁感应强度看 th TR P th R 是否饱和。 变压器结构和工艺设计。 12 电感设计概述 电感设计方法与变压器设计方法类似，一般工作在 I 类状态。直流分量大，交流分 DC/DC 变换器中磁性元件的设计 4 量小。线圈损耗远大于磁芯损耗，防止磁芯饱和是考虑的主要因素。因此常选择铁氧体 材料开气隙或用磁粉芯制作电感。 体积最小，成本最低的电感是设计追求的目标。体积最小意味着磁芯利用最好，损 耗最小。在特定的应用条件下，最佳磁芯利用率（最小体积）与最佳气隙长度有关（分 布气隙的磁粉芯是有效磁导率e）。磁芯利用最好，就要求磁芯工作在最大磁通密度 （受饱和磁感应或磁芯损耗限制）和最大线圈电流密度（受线圈损耗限制）时最佳气隙 长度，才能获得最小的磁芯尺寸。所以电感设计就是要寻求最佳气隙长度（对于磁粉芯 求最佳e）。 1 12 21 1用铁氧体开气隙设计电感用铁氧体开气隙设计电感 电感器设计的任务主要是在满足给定的性能指标的前题下，确定最好的铁心结构、 最小的几何尺寸、恰当的绕组匝数、导线截面积和气隙长度等。 用Ap法选择磁芯型号，根据公式确定匝数, 22 max 10 , max L I NLuH Aecm BAe 由电感值来确定气隙长度,。 g l 2 0.4 e e g r N A L l l 1 12 22 2用磁粉芯设计电感用磁粉芯设计电感 根据经验按kW 以上：W/cm31kW：0 W/cm3kW 以下： W/cm3 选取磁芯，由来确定线 1 1 2 2 2 0 0 ree ere N ALlL LN lA 电感系数 圈匝数，由于电磁导率会随直流磁化强度增大而减小，所以其中 L 值要用所给值的 0 L/0.75 左右手来计算。 1.3 磁集成技术简介 磁集成技术 IM（integrated magnetics ）是将变换器中的多个分立的磁件从结构上集 中在一起，绕制在一副磁芯上。采用磁集成技术能够减小磁件的体积、重量，甚至还能 减小电

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