电力电子高频磁技术解析课件.ppt

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分布式电源架构市场对隔离型DCDC的性能要求市场对ACDC(PFC)的性能要求绿色电源要求市场需求对开关电源技术的推动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开关电源高频磁技术的发展磁元件设计的考虑 EMC 制造 结构 形状 成本 安规 散热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线圈电阻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基本磁路理论 怎样测试B-H环路怎样测试磁芯损耗功率电磁元件中的导线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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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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铜箔中的涡流损耗铜箔中的涡流损耗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 最佳铜箔厚度上的谐波的影响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三种不同线圈绕法的比较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铜箔中的涡流特性最佳铜箔的排列方法•用最佳线圈结构单层 多层使用最佳层叠的设计实例终端效应损耗终端损耗电感线圈的损耗 因磁通进入线圈导致的线圈损耗气隙边缘效应损耗的研究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不同气隙位置的线圈损耗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(2)•让线圈尽量躲开空气隙如何减小气隙边缘损耗(3)•防止铜箔绕组靠近气隙交互式空气隙的安排附加导通损耗附加导通损耗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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.变压器中多股并联导线和单根导线的比较单根导线和多股并联导线的电流分布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平板磁芯的结构平板变压器线圈的结构平板变压器的组合•用平板磁芯的混合设计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并联导体层的电流均衡模型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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涡流沿着每层线圈的分布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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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4:1PCB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线圈交流损耗随线圈层间安排的变化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)线圈损耗计算线圈损耗计算FEA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1-D Dowell模型•由DPEC建立的工具将帮助计算线圈损耗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环形电感线圈交流损耗模型圆形导线的涡流模型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交流损耗•对同样导体截面积扁平导体交流损耗较小PCB线圈分析工具•输入:薄铜皮,布局,层数,连接,隔离空间•输出: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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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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中心抽头线圈的初始设计技术规格:初始设计:线圈结构: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:变压器次级线圈设计考虑修正设计:原始设计: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℃PCB线圈设计实例PCB线圈设计改进平板变压器初始PCB布局最佳PCB轨迹布局线圈电感等效电路由电流漏磁通产生的电感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.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导线的内部电感和外部电感气隙位置影响耦合系数气隙大小影响电感量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变压器的漏感变压器漏感计算条件变压器的漏感线圈电容等效电路由电压的电场产生的寄生电容由电压分布产生的电场用导线排列进行电压分布用导线排列进行电压分布用导线排列进行电压分布选择线圈排列和连接变压器耦合电容--Cps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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为降低EMI对Cps的考虑为降低共模EMI对Cps的考虑为降低共模EMI对Cps的考虑PFC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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.。