开关电源变压器设计与材料选择

目录•变压器的结构和组成•变压器的设计变压器的结构和组成变压器inVoutVinIoutImLk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.隔离电路绕组的电压关系法拉第定律:交变磁场中的电动势:)(NdtdE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inVoutVinIoutImLk变压器跟据法拉第定律:))((LkminNpdtdV))((moutNsdtdVNpNsnVVinoutLkm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inVoutVinIoutImLk应用:通常变压器的电流决定于负载outoutoutVPI/lISNsoutcores/sp跟据楞次定律,lISNlISNoutcoresincorep//inoutspIInNN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-ZnFerrite):镍锌铁氧体(Ni-ZnFerrite):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)铁氧体材料的选择选择磁性材料的关键点：Ａ：磁心的饱和磁密Ｂ：磁心的损耗(储能与放能之差)BHHdcHdc=0Hdc一三相限:Fullbridge一相限:forwardDCBias:flybackBacBacBacBm磁损曲线BH曲线TysxacmcvCfBCP单位体积磁损公式：材料的损耗指标:固定Pcv时的FxB公式xxyTmcvfCCPBF/1)(*不同铁氧体的使用频率)(BfIANPpepthrPcv=100kw/m3Pcv=300kw/m3Pcv=500kw/m3Ferroxcube3C963F35T=100℃1000040000500002002000f(kHz)f*B(HzT)03F4f.B:MaterialperformancefactorPcv=100kw/m3Pcv=300kw/m3Pcv=500kw/m3N49N9701000500050000f*B(HzT)f(kHz)EPCOS22000HzT32000HzT23000HzT35000HzTf.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磁心的选择一般情况下fs150KHz,Bmax取决于Bs,假设fs=100KHz,取Bs的80%为基准,材质3C96,Bmax=0.5*80%*Bs=136mTfs300KHz,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=80mTfs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/ccB1=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对比选择磁心的形状常用铁心形状AEEEFDER,EC,ETDPQRM形状分类特点适用情况EE,ER,EC,ETD常规铁心,价格低廉,窗口面积大,大功率时易作安规.小功率的辅助电源，大功率电源，应用于功率密度较低的场合EFD平面化的EE类铁心应用情况同上，应用于功率密度较低，且要求LowProfile，表贴或沉降式结构PQ,RM窗口面积较ＥＥ类的小，而Ae较ＥＥ类的大，应用于高功率密度的条件．也适于作输出电感或ＰＦＣ电感窗口开口较小，不适合作很多路输出变压器选择磁心的形状常用铁心形状BEQPJPlanarEE形状分类特点适用情况PJＰＯＴCore的改进版，Ae大窗口小，磁屏蔽效果好；高度较矮用于高功率密度且对高度有一定要求的变压器设计；不适合飞线，不适合使用Margintape做安规EQＰＪ，ＰＱ的改进版，窗口条件比PJ好，高度和Ae比ＰＱ好；磁屏蔽效果不如PJPlanarEE低高度，Ae大，窗口小；中柱长宽比大，不适于绕线应用于ＰＣＢ绕组等预制好的绕组的变压器和电感器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.线包的引出线形式绕组的结构SimpleSandwichInterleaving漏感减小交流损耗减小隔离结构复杂常用导线名称: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3000Vac规格:0.2mm-1.0mm名称:铜箔,铜皮结构:纯铜薄片,使用时需加绝缘规格:厚0.025,0.05mm常用作屏蔽层厚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: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高频交流损耗集肤效应(Skineffect):邻近效应(Proximityeffect):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.Jx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Jx外部交流磁场外部磁场产生的涡流使用工具估算绕组的损耗AnsoftMaxwell2D&3D通过２维和３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Dowell1Dmodel(MagneticsDesigntool)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/RdcLitz线的简化漏磁通与漏感inVoutVinIoutImLk**nLkLm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dVBdVBdVBEVwinairVcorecoreV222一般情况下，aircore3000~1000而与基本相当coreVwinV所以可以简略认为dVHdVBEVwinairVwinairLk22漏感与磁场漏感的估算VkLkHILE222121HmaxH=0HwwHiNH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)(2NLk而:22IHiNLVwk故:变压器的设计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AP法介绍AP法,即AreaProduct(面积乘积)法的简写inVoutVinIoutImLk走磁通的面积Ae走电流的面积AwX=APAP的计算公式AwAeAPspfBNDVAemaxmaxminKuJINJINAwssrmsspprmsp(磁心的储能能力)(磁心的通过电流的能力)双管正激变压器的设计设计参数1最小直流输入电压Vmin(V)350用于直接计算一次侧的电流(Iin,Ip),原边电压(Vp),计算变压器磁心损耗Pc和交流磁通Bac2输出电压Vo(V)28用于计算功率,实际占空比,3输出电流Io(A)7用于计算功率,二次侧电流(Is),输出电感电流(ILo)4输出二极管压降Vd(V)0.3用于计算功率5工作效率h0.9用于计算输入功率(Pin),一次侧电流(Iin,Ip)6开关频率f(kHz)100用于选择磁性材料,计算电流(Ip,Is,ILo)7最大占空比Dmax0.4用于计算峰值电流Ipk,交流磁通Bac等8环境温度Ta(℃)25限制磁心损耗和绕组电流密度9允许温升Tr(℃)751.从电路引入的设计参数2.磁性元件的一些常规设计参数1原边绕组允许电流密度Jp(A/cm2)600通常设计时,绕组电流密度在400-600之间,功率较小或者散热条件较好,如有风,PCB绕组等,可以升到1000,而对于一些特殊的绕组,如散热较差或频率太高可以考虑降低到3002副边绕组允许电流密度Js(A/cm2)7503窗口利用率Ku0.2常用的铁氧体磁心,变压器Ku不超过0.2,单绕组电感,0.25,环形电感尺寸从小到大可以选择不超过0.35到0.45磁心的选择)(1.198)(WIVVPodoo1.计算最大输出功率2.计算原边平均电流Iin)(629.0/minAVPoIinh3.预计算原边电流脉冲Ipk)(5722.1/maxADIIinpkIpk原边电流波形4.预计算原边电流有效值IprmsAADIIpkprms1)(9944.0maxＨＢＢrForward变压器磁心中的ＢＨ回线DB磁心的选择5.Bmax的选择:)(8114)1(4maxmaxminmmKuJfBDVIAwAeAPpsprmshfs150KHz,Bmax取决于Bs,本例fs=100KHz,取Bs的80%为基准,材质3C96,Bmax=0.5*80%*Bs=136mT6.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d.跟据AP选择铁心铁心规格APPQ20/162932.8PQ20/204117.8PQ26/207305.4PQ26/2510143PQ32/2013604.5PQ32/3024899.7PQ35/3541800铁心规格APRM10/I6168.9RM12/I14962.1RM14/I28828.8RM4/I195.6RM5/I414RM6S/I888RM7/I1389.2RM8/I2874.7选择条件：1.forward2.假设限高30mm3.要求高功率密度跟据下表选择PQ26/25BBN绕线空间PQ26/2513.55mmx4.1mm圈数的计算与选择1.原边圈数的计算.Ae=120mm^2,Bac=136mT438.422maxminAefBDVNpsac2.副边圈数的计算.３.复算确认原边圈数.97.8maxminDVVVNpNsdo4444.44maxmindoVVDVNsNp圈数的计算与选择４.原边无气隙电感的计算.MPL=57.3mmmHMPLNpAeLpi66.1002５.变压器的变比.６.实际最大占空比.89.4/NsNpn4.0395.0minmaxSdoNVVVNpDD最大值满足要求(平均磁路