0、电感变压器设计

磁元件设计共性问题1电感及变压器设计磁元件设计共性问题开关电源技术——[e-mail]2气隙的作用磁元件设计共性问题3Comparativecoreusageofasymmetricalandsymmetricalconverters.磁芯带有气隙后，等效的磁导率降低了。线性度比原磁化曲线好得多。磁芯的剩磁(Br)大大下降了。磁元件设计共性问题4气隙磁路计算corerairHHB00lHlHNIcoregaircorerairHHB00lllNIHgrcore/11大气隙磁芯会导致边缘效应增大，匝间漏电感和杂散电容增大磁元件设计共性问题开关电源技术——[e-mail]5电感和变压器设计的共性问题磁元件设计共性问题6NPNS变压器(Transformer)电感和变压器设计电感器(Inductor)L磁元件设计共性问题7电感和变压器设计是否算出电感的L和变压器的NP/NS就可以了？我们知道——电感要求的是:电感量L变压器要求的是:原副边匝数比NP/NSLNPNS回答三个问题：1.对于一个50Hz的工频变压器：220V/110V,NP/NS等于2是一定的.那么NP取多少合适?2匝?100匝?4000匝?或是其它匝数?为什么?2.有两个50Hz的220V/110V变压器,一个容量50W,一个是100kW.在工业应用中,它们两个的大小相同吗?为什么?3.同样50W的两个变压器,一个是50Hz工作,一个是50kHz工作.两个的大小一样吗?在工业应用中,可以采用相同材料的铁芯吗?磁元件设计共性问题8电感和变压器设计设计电感和变压器要考虑的问题?3.铁芯材料问题(铁耗(体电阻和磁滞回线))涡流损耗(eddyloss)和磁滞损耗(hysteresisloss)2.铁芯饱和问题(基本磁化曲线(BS和))4.居里温度(curietemperature))1.铜耗问题(直流电阻和交流电阻)磁元件设计共性问题开关电源技术——[e-mail]9电导体设计磁元件设计共性问题10电感和变压器设计一.电导体的设计(直流电阻和交流电阻）无论变压器还是电感,导体材料一般采用电工铜,偶尔也采用铝等材料.形式为导线或铜箔。1.直流电阻(金属,不接近熔点和0K时)))20(1(0T其中017241.0020oC时的工业纯铜31093.3T——温度，oC电阻率(•[mm]2/m温度系数(1/oC)0282.0031090.320oC时的工业纯铝(•[mm]2/m磁元件设计共性问题11电感和变压器设计一.电导体的设计(直流电阻和交流电阻)2.交流电阻的成因(集肤效应)零电流区电流密集区电流密集区零电流区边界区磁元件设计共性问题12集肤效应（也称趋肤效应(skineffect)）当导线中通过交流电流时，因导线内部和边缘部分所交链的磁通量不同，致使导线表面上的电流产生不均匀分布，相当于导线有效截面减少，这种现象称为集肤效应。磁元件设计共性问题13电感和变压器设计一.电导体的设计(直流电阻和交流电阻)3.交流电阻(由于集肤效应,交流电阻随频率增长)电阻比与频率归一化曲线频率越高，集肤效应影响越大。DCACACRkRkAC趋表系数:与频率、材料的性质、导线形状有关磁元件设计共性问题14电感和变压器设计4.交流电阻分析(集肤效应)穿透深度(penetrationdepth)：由于集肤效应，交变电流沿导线表面开始能达到的径向深度。可以表征导线有效截面的减少。电流密度j0j01jepdi一.电导体的设计(直流电阻和交流电阻)电流在导体的表面密集分布，中心部位电流密度很小，使导体有效导电面积减小，因而交流电阻要大于直流电阻磁元件设计共性问题15电感和变压器设计5.交流电阻分析(集肤效应的穿透深度pd)WhereHzff,2导线磁导率.空气磁导率为mH/10470电导率,等于)/1(2pd一.电导体的设计(直流电阻和交流电阻)fTpd)20(1093.310855.663铜fTpd)20(1090.315172.843铝单位:mm/108.57mCu/10546.37mAl磁元件设计共性问题16电感和变压器设计6.交流电阻分析(铜导体的穿透深度d与电流频率f的关系)为了减小交流电阻,综合考虑集肤效应的电流密度递减性,以及温度带来的影响,我们一般取铜导体的厚度或(直径)为d(mm，毫米)f(Hz)506010012030036050010002000300050007000d(mm)18.6717.0413.2010.957.626.965.904.172.952.411.871.58f(kHz)101520253040501001502003005007501000d(mm)1.321.077.933.835.762.66.59.417.341.295.241.1867.1524.132一.电导体的设计(直流电阻和交流电阻))(132mmfdWhere——Hzf1ACk使得磁元件设计共性问题17电感和变压器设计8.电导体的设计——导体截面的选择导体截面的选择，两个因素：A.导体的厚度或(直径)为d(mm，毫米)小于2~3倍穿透深度B.导体允许的电流密度j(A/[mm]2,安培/平方毫米)一.电导体的设计(直流电阻和交流电阻)7.电导体的设计——其它因素邻近效应Proximityeffect线圈振动多层并绕邻近效应随绕组层数增加呈指数规律增加合理布线磁元件设计共性问题18英规导线(AWG)磁元件设计共性问题开关电源技术——[e-mail]19磁性体的选择磁元件设计共性问题20电感和变压器设计二.铁芯材料的选择(铁耗(涡流损耗和磁滞损耗))铁芯的选择要考虑三个因素:(1)工作频率,(2)磁化方式(单边磁化还是双边磁化),(3)价格磁元件设计共性问题21电感和变压器设计二.铁芯材料的选择(铁耗(涡流损耗和磁滞损耗))1.根据工作频率高低来确定材料金属铁芯硅钢片(Si-Fe)坡莫合金(Ni-Fe)钴铁合金(Co-Fe)、非晶或超微晶合金(Fe\Co)铁粉磁芯碳基铁粉芯(C-Fe)铝硅铁粉芯(Al-Si-Fe)钼坡莫合金铁粉芯(Mo-Ni-Fe)铁氧体磁芯锰锌铁氧体(Mn-Zn-Fe)镍芯铁氧体(Ni-Zn-Fe)镁芯铁氧体(Mg-Zn-Fe)~18002.02~20,0000.7510~8002.4510~100,0001.5~1003~20~0.9~300,00010~80~0.9~1,00014~145~0.8~3001,000~18,000~0.5~1,00015~500~0.3~200,000300~1,500~0.3~25,000相对导磁率磁通密度(T)频率(kHz)分类材料名称磁元件设计共性问题22电感和变压器设计二.铁芯材料选择(铁耗(涡流损耗和磁滞损耗))2.开关电源的磁性材料变压器和谐振电感:锰锌铁氧体、非晶磁芯电感扼流圈：铁粉芯、锰锌铁氧体、镍芯铁氧体、非晶磁芯共模抑制器或尖峰抑制器：高导磁率的锰锌铁氧体、非晶磁芯等磁元件设计共性问题23电感和变压器设计三.变压器的损耗(铜耗、磁滞损耗和涡流损耗)Corelossesincreaseroughlyasthe1.6thpowerofthefrequencyanthe2.7thpowerofthepeakfluxdensity.Thusathigherfrequencies(above50kHz)peakfluxdensityhavetobereduced,byincreasingthenumberofthetransformerprimaryturnstokeepthetransformertemperatureriseacceptablylow.磁元件设计共性问题开关电源技术——[e-mail]24变压器设计——面积相乘法（AP法）——几何参数法（KG法）磁元件设计共性问题25一、面积相乘法（AP法）磁元件设计共性问题26变压器设计一、面积相乘法设计WeAANPNSeAWAAe:有效铁芯面积Aw：窗口面积磁元件设计共性问题27相关概念1.功率容量：半个窗口的容量2.有效磁芯面积：截面积3.窗口面积：4.窗口利用系数：铜导线所占面积5.散热面积：磁芯散热面积+线圈散热面积磁元件设计共性问题28变压器设计NPNSUP1.为了保证磁芯不饱和,必须满足关系式emPsfPABNfkUWheremsfBfk——波形系数，正弦波4.44，方波4.00——开关工作频率(Hz)——最大工作磁通密度(T),一般取(1/2)B(1)可得到Ae的表达式!一、面积相乘法设计磁元件设计共性问题29变压器设计B的计算UPBrBSB=BS-BrBSBSB=2BS一、面积相乘法设计单向励磁电流双向励磁电流磁元件设计共性问题30变压器设计得到原边绕组匝数NP的关系式如下:BAfUNesPP2WhereBfs——开关工作频率(Hz)——磁通密度(T)变化率,单边磁化取(BS-Br),双边磁化取(2BS)(2)原边电压允许波动时，取工作电压最大值一、面积相乘法设计磁元件设计共性问题31NPNSWAWA变压器设计磁芯的窗口是用来绕制线圈的.因此窗口面积AW与变压器原副边的绕组关系很大.事实上,有SWSPWPWWANANAk(3)式中SPSWPWWNNAAk,窗口利用系数,一般取0.4原边绕组每匝所占窗口面积副边绕组每匝所占窗口面积2.磁芯窗口面积AW的使用分别为原副边绕组匝数一、面积相乘法设计磁元件设计共性问题32变压器设计一、面积相乘法设计2.磁芯窗口面积AW的使用(续)jIAPPWWhereSPIIj电流密度流过原边绕组电流有效值流过副边绕组电流有效值jIASSW(4)NPNS磁元件设计共性问题33变压器设计一、面积相乘法设计于是由(2)式可得同时,得到Ae的关系式如下:jIBfUANAPsPPWPe2WhereBfs——开关工作频率(Hz)——磁通密度(T)变化率,单边磁化取(BS-Br),双边磁化取(2BS)(5)原边电压允许波动时，取工作电压最大值jIBfUANASsSSWSe2(6)副边一般要求稳压原(副)边电压允许波动时，取低电压时的电流有效值！磁元件设计共性问题34变压器设计一、面积相乘法设计3.Ae.AW的表达式NPNS由(5)和(6)两式可得BjfkIUIUAAsWSSPPWe2(7)UPUS电压允许波动时，取低电压时的电流有效值！磁元件设计共性问题35变压器设计一、面积相乘法设计4.电流有效值IP和IS的计算US(NS)单端正激(Forward)单段反激(Flyback)半(全)桥式(BridgeRec.)半(全)桥式(中抽整流)推挽式(中抽整流)推挽式(中抽整流)(I)(II)(III)(IV)UP(NP)UP(NP)UP(NP)UP(NP)UP(NP)UP(NP)US(NS)US(NS)US(NS)US(NS)US(NS)BjfkIUIUAAsWSSPPWe2电压允许波动时，取低电压时的电流有效值！(7)磁元件设计共性问题36变压器设计一、面积相乘法设计4.电流有效值IP和IS的计算(续)BjfkIUIUAAsWSSPPWe2电压允许波动时，取低电压时的电流有效值！A.对于非中抽线圈绕组inPIIoutSII(原边)(副边)B.对于中抽线圈绕组inPII2outSII2(原边)(副边)inPPPIUoutSSPIUinPPPIU2outSSPIU2US(NS)US(NS)US(NS)(7)磁元件设计共性问题37变压器设计一、面积相乘法设计5.UPIP的再研究BjfkIUIUAAsWSSPPWe2电压允许波动时，取低电压时的电流有效值！A.对于非中抽线圈绕组B.对于中抽线圈绕组LHi