陈为-开关电源高频磁集成技术

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Cuk电路电感的磁集成
N1
+ v1 vi v2 vo +
Vc
N2
-
v1
vi vo
v2 vi vo ∵ Vc=Vi+Vo ∵ v1=v2 ∴ ϕ1=ϕ2 if N1=N2
11
磁集成Cuk电路的纹波减小与零纹波条件
L1 v1 M L2 v2
i1
i2
-
+
v1
v1=v2 vi vo
By: Cuk, Slobodan M. US 4257087 Date: March 17, 1981
i1
Φ1
Vo
Φc
Φ2
i2
Np Np
Np
Np
Np
ΦC=Φ2-Φ1
ΦC=Φ2+Φ1
☺ Less ΔB in central leg ☺ Reversely coupled of L ☺ BDC canceled in outside legs ☺ Larger Lm of TX ☺ Less leakage of TX BDC exists in central leg Longer Pri. winding wire L is limited by TX turn-ratio
D = εE
B = μH J = γE
B = μH J = γE
Ampere’s Law: 线圈上的激磁电流安匝 Ampere’s Law: 线圈上的激磁电流安匝 Faraday’s Law: 线圈上的感应电动势 Faraday’s Law: 线圈上的感应电动势
磁芯内的磁动势，磁场强度 磁芯内的磁动势，磁场强度 磁芯内的磁通量，磁通密度 磁芯内的磁通量，磁通密度
ΦC=Φ2+Φ1
i1
Φ1
Vo
Φc
Φ2
i2
Np
Np
Larger Lm
16
倍流整流电路的磁集成的进一步改进
L is limited by TX turn-ratio Larger Δio
a a
Reduce Δio further by extra L0 in output
a
Integrate L0 in central leg
Load current
40us
Output voltage
Dynamic response
IM Saber model
Fluxes in each core leg
24
电磁场分析基本理论
Maxwell Equations
Differential forms
∇×H = J +
Integral forms
1− k L2eq = L2 ⋅ (1 + k ) ⋅ 1 − k ⋅ L2 L1
L1eq = L2 eq = L ⋅ (1 + k ) if L1 = L2 = L
Ripple reduced Input zero ripple Output zero ripple
12
Zero ripple conditions
∂ B ∂t
Physical Laws Ampere’s Law Faraday’s Law Flux Continuity
∇×E = −
∇⋅ B=0
∇⋅D = ρ
∂ B ∂t
∂ D ∂t
∇×H = J
∇×E = −
∇⋅ B = 0
∫ H ⋅ dl = I dB ⋅ dS E ⋅ dl = − ∫∫ ∫ dt ∫∫ B ⋅ dS = 0
US 7 280 026 File: Aug. 19, 2004 Date of Patent: Oct. 9, 2007
18
正激开关变换器的磁集成
Np2
Φp
NL
Φg Φs
Np1
Ns
S
Discrete magnetics
S
Integrated magnetics
Φp: Flux from Input Φg: Flux for Flyback output Φs: Flux for Forward output
Φ1 Φ2
S2 P2
Two TXs de-coupled but less Lm
☺ Two TXs de-coupled with large Lm
21
磁集成电路的基本分析方法
22
磁集成电路的分析 – 磁路电路综合分析
Electric circuit + Magnetic circuit
1) Calculate D, △φ, △B by electric circuit model 2) Calculate △ip, △is, △iL by magnetic circuit model 3) Calculate ipDC, isDC, iLDC by electric circuit model 4) Calculate Bdc0 , Bdc1 , Bdc2 by magnetic circuit model 5) Calculate ip(t), is(t), iL(t) and B0(t), B1(t), B2(t) 6) Calculate losses Pw, Pcore
B1 ip(t), is(t), iL(t) B0 B2
N1
is
Ns
ip
B0(t), B1(t), B2(t)
ECK+MCK Np
iL
23
磁集成电路的分析 – 仿真分析
Integrated Magnetics models are built for dynamic simulation by Saber
L1eq → ∞ L2eq → ∞
if 1 − k L1 L2 = 0 if 1 − k L2 L1 = 0
隔离型Cuk电路的磁集成
By: Cuk, Slobodan M. US 4257087 Date: March 17, 1981
13
倍流整流(CDR)电感的集成 (L+L)
Lk Tr Np Ns D1 D2 Vo Np Tr Ns D1 D2 Lk Lk Lk Vo
19
VRM电压调整模块的电感耦合磁集成
Vg1 0 Vin
o
L1 S12 L2 S22
S11 Vg2 180o S21
i1 i2
io
0~D
Vo
Vg1
0
0.5~0.5+D 1
Vg2
i1
Vg1 0 Vin
o
L1 S12
S11 Vg2 180o S21
+M
i1 i2
io
Vo
i2
L2 S22
Reversely coupling:
可以改善动态性能，而不影响静态性能。 Lk 总电流纹波或动态性能； Lm & Lk 各支路电流纹波或静态性能。
20
变压器与变压器的磁集成
S1 P1
Φ1 Φ2
S2
S1
Φ/2 Φ Φ/2
Two TXs P2 discrete
P1
S1 P1
Φ1 Φ2
Two TXs coupled P2
S2
P2
S1
P1
S2 S1 P1
2
开关电源高频磁技术的发展
High freq. High freq.
Planar Planar
Matrix Matrix
Module Module
Integrated Integrated
Micro-fabricated Micro-fabricated
Hybrid Hybrid
高频化
平面化
阵ห้องสมุดไป่ตู้化
vs
D
0
t
D
0
t
Δi1
~ ~
Δi1
~ ~
t
t
Δi2
~ ~
Δi2
~ ~
t
Δio
~ ~
t
Δio
~ ~
t
t
Non-coupled (Lm=0, Lk)
Full coupled (Lm
∞, Lk)
14
倍流整流(CDR)电路的磁集成 (TX+L+L)
IL1 IL2 Io
I L1 + I L 2
Patent No. US5784266, 1998
开关电源高频磁集成技术
陈 为 博士 (chw@)
福州大学电气工程与自动化学院 教授, 博导 主任 中国电源学会变压器与电感器专委会 台达能源技术(上海)有限公司
技术主任
2007电源网电源工程师交流会 深圳, 2007年11月24-25日
1
主要內容
一、磁集成技术的基本概念 二、磁集成的基本分析方法 三、磁集成技术的应用实例
模块化
集成化
微型化
合成化 3
磁集成技术的基本概念
4
什么是磁集成技术
研究如何利用各磁性元件磁路中的磁通分布特点以及各个绕组间的 研究如何利用各磁性元件磁路中的磁通分布特点以及各个绕组间的 磁通耦合关系，将各种功能的磁性元件集成在一个复杂磁芯结构上。 磁通耦合关系，将各种功能的磁性元件集成在一个复杂磁芯结构上。 研究如何有效地、巧妙地利用磁性元件的杂散参数 研究如何有效地、巧妙地利用磁性元件的杂散参数 设计如何在产品上实现集成磁件的最佳应用，工艺制程，参数控制 设计如何在产品上实现集成磁件的最佳应用，工艺制程，参数控制 以及品质检测方法。 以及品质检测方法。
TX
6
磁性元件与PCB的集成
Magnetics PCB
Transformer secondary
Output inductor
Filter choke
Transformer primary
Hybrid design with planar magnetics
7
大家熟悉的磁集成
Flyback TX/Inductor (Lm+TX)
磁集成的目的
缩小磁元件的尺寸 缩小磁元件的尺寸 降低磁元件的损耗 降低磁元件的损耗 减少磁元件的数量 减少磁元件的数量 降低磁元件的成本 降低磁元件的成本 提高开关电源的效率 提高开关电源的效率 产生新的电路拓扑 产生新的电路拓扑
5
开关功率变换器中的磁性元件
TX CMC DMC PFC
SR
L
D2A
25
磁路分析基础
Φ2
i
Φ1 Φ0
Η
i
Φ
v
i ⋅ N = H ⋅ le = u m
u= dψ dΦ dB = N ⋅ Ae⋅ =N⋅ dt dt dt
Φ 0 = Φ1 + Φ 2
Flux Continuity
Ampere’s Law
Faraday’s Law
Φ
Magnetic Circuit
ΔΦ=VT/N
Δio
Δio
b
b
b
US 2002/0075712 File: Dec. 18, 2000
US 6549436 File: Feb. 21, 2002 17
倍流整流电路的磁集成的扩展应用
Two-modules of “Integrated CDR” interleaved
US 6 873 237 File: Apr. 18, 2002 Date of Patent: Mar 29, 2005
TX * Lm * Lk *
TX with large leakage (Lk+TX)
TX *
Coupled Inductor L+L => 3L
*
L1 M L1-M L2-M
*
L2 Decoupling M
8
差、共模滤波器的集成 (LCM+LDM)
iDM iCM iCM iDM LCM LCM LDM
CM: High-μ, Low saturation DM: Low-μ, High saturation iDM iDM iCM iCM
ΦDM
ΦCM
ΦDM
9
差、共模滤波器的集成实例
CM Flux DM Flux
Motorola Patent (1994)
20 18 16 14 12
Delta Patent (2001)
VNs=VL2 -VL1 @ NS=NL1=NL2
ϕNs=ϕL2-ϕL1
So, Ns can be removed
15
倍流整流电路的磁集成的改进
Vo
i1
Φ1
Φc
Φ2
i2
P-winding split into 2 outer legs
Vo
i1
Φ1
Φc
Φ2
i2
Polarities reversed in one leg
LDM (mH)
0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 Operating Current (A)
DM
Gap(0.48mm) Gap(0.24mm) Gap(0.4mm) Gap(0.16mm) Gap(0.32mm) Gap(0.08mm)
10 8 6 4 2 0 0 0.1
Gap(0.48mm) Gap(0.4mm) Gap(0.32mm) Gap(0.24mm) Gap(0.16mm) Gap(0.08mm)
LCM (mH)
CM
0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
0.2
0.3
Operat ing Current (A)
0.9
DM CM
+
v2 vi vo
v1 = L1 ⋅ di di1 +M⋅ 2 dt dt
di2 di +M ⋅ 1 dt dt
di1 vL = dt L1eq di2 v = L dt L2eq
1− k 1 − k ⋅ L1 L2
L1eq = L1 ⋅ (1 + k ) ⋅
v2 = L2 ⋅
v2 = v1 = vL
V
Electric Circuit
Um
Um=I*N
i
26
交流电压激励分析
Φ2ac Φ0ac V