变压器设计与材料选择

EFD PQ
EFD
PQ,RM
窗口面积较ＥＥ 类的小，而Ae 较ＥＥ类的大，
RM
磁心的选择
d.跟据AP选择铁心
1.常用铁心形状B
PJ
EQ
Planar EE
形状分类 PJ EQ Planar EE
特点 ＰＯＴ Core的改进版，Ae大窗口小，磁 屏蔽效果好；高度较矮 ＰＪ，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PJ 低高度，Ae大，窗口小；中柱长宽比大， 不适于绕线
V Ton AP Ae Aw Bm 2 I prms J p Ku
AP给了选取铁心大小的参考;具体型号 要跟据实际的外形限制来选取 跟据铁心,B的要求等等计算Np和Ns,并计算气隙等. 需要判断B值的合理性和气隙的可加工性 跟据不同的需求选择绕组的线型.并计算此选择的 绕组损耗.绕组损耗应该考虑交流损耗.粗算时可跟 据频率将直流损耗乘个系数(>1)代替.精算时可以 用designtool软件计算损耗系数. 计算实际的Ku,有条件可以推导绕组的排布 计算Pc和Pw,Pc和Pw的差踞如果超过5倍,应 评估是否可以进一步优化 计算其它参数是否付合设计需求
2.磁性元件的一些常规设计参数
1 2 3 原边绕组允许电流密度 Jp (A/cm2) 副边绕组允许电流密度 Js (A/cm2) 窗口利用率 Ku 600 750 0.2 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300 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
电导率
电阻 R
lc Ac
变压器的基本原理
磁路与电路的对比:电路的串并联关系在磁路上成立
磁路
Rm _ serial Rm _ s _ x
电路
Rserial Rs _ x
x
串并联关系
x
1 Rm _ parallel

x
1 Rm _ p _ x
1 R parallel

x
跟据铁心和其它参数计算各绕 组圈数，并复算各参数合理性
跟据电流计算各绕组的选线， 并计算绕组损耗
跟据设计结果复算各参数
双管正激变压器的设计
设计参数
1.从电路引入的设计参数
1 2 3 最小直流输入电压 Vmin (V) 输出电压 Vo (V) 输出电流 Io (A) 350 28 7 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Bac 用于计算功率, 实际占空比, 用于计算功率,二次侧电流(Is),输出电感电流(ILo)
1.温度特性: a.温度下降导电率上升 b.温度降到特定温度时电阻率会 突然降为零,成为超导体 2.导电特性 线性导电,即:V=R*I 3.损耗特性 P=V*I
变压器的设计
输入变压器设计需求
跟据功率，频率，一二次 侧电流计算ＡＰ值 跟据ＡＰ值选和实际需求选 择铁心和材质
Lp,Ls,Lk,n,f,Np,Ns,电压,容量,外形等等
磁心的选择
c.计算AP值
1.计算最大输出功率
Po (Vo Vd ) I o 198.1(W )
2.计算原边平均电流Iin
原边电流波形
I in Po / Vmin h 0.629( A)
3.预计算原边电流脉冲Ipk
Ipk
I pk Iin / Dmax 1.5722 A) (
变压器的基本原理
磁路与电路的对比:磁路的基尔霍夫定律 基尔霍夫定律 磁路 Kirchhoff laws
磁路中任一节点,在任一瞬 间流出该节点的磁通的代 数和恒为零 磁路中任一回路,在任一瞬 间此回路的各段磁动势的 代数和恒为零
节点1
电路
KCL:任一集总参数电路(Lumped circuit)中的任一节点，在任一瞬间流 出该节点的所有电流的代数和恒为零 KVL:任一集总参数电路中的任一回路点 ，在任一瞬间沿此回路的各段电压的代 数和恒为零
变压器的基本原理
磁路与电路的对比:磁性元件设计中要注意的
1.磁材料会饱合，所以设计的Ｂ和Ｈ不可能无限制的大， 2.由于磁通连续，因此励磁之后必需有退磁过程 3.由于磁滞现像和磁滞损耗的存在，磁损没有理论上的计算公式，而只 有跟据理论和实测数据拟合出的经验计算公式
变压器的基本原理
2.磁性材料的使用限制 导体的特性不同
变压器设计与材料选择
Guan Junfeng MSBU-MISH Delta CPBG R&D (Shanghai) Center 2008.07.28
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目
• • • • 变压器的结构和组成 双管正激变压器的设计范例 反激变压器的设计范例 全桥变压器的设计范例
录
变压器的结构和组成
4.预计算原边电流有效值Iprms
I prms I pk / Dmax 0.9944 A) 1A (
磁心的选择
c.计算AP值(续上页)
5.Bmax的选择: 一般情况下
fs<150KHz,Bmax取决于Bs,
本例fs=100KHz,取Bs的80%为基准, 材质3C96 ,Bmax=0.5*80%*Bs=136mT
用AP法选择磁心
1.AP, 即 Area Product (面积乘积) 走磁通的面积Ae X 走电流的面积Aw =AP 2.AP的计算公式
I in m I out
N p I prms
Vmin Dmax Ae N p Bmax f s
Aw
Jp

N s I srms Js
P N p Ae I p ( f B) thr
50000
f .B: Material performance factor
50000
EPCOS
Pcv=500 kw/m3
Ferroxcube
Pcv=300 kw/m3
Pcv=500 kw/m3
40000
f*B(HzT)
Pcv=300 kw/m3
fs>300KHz, 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=80mT fs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,Pcv<300mw/cc B1=0.5*80%*Bs=136mT;B2=28000HzT/200KHz=140mT, 取B1和B2中的小值作为Bmax=136mT
Vin
Lk
可以化简以
Vout
Ku (1 h ) N p I prms J p Ku
AP Ae Aw
(1 h ) I prms Vmin Dmax Bmax f s J p Ku
上式中Bmax要作进一步的计算选择
磁心的选择
3.磁心材料的选择
a.跟据工作频率初选
1 Rp _ x
Rm _ s _1 Rm _ s _ 2
…
Rm _ s _ x
…
Rs _1
Rs _ 2
…
Rserial
Rs _ x
…
Rm _ serial
…
…
Rm _ parallel R p _1
…
Rp _ 2
…
Rp _ x
Rparallel
Rm _ p _1 Rm _ p _ 2 Rm _ p _ x
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
b.跟据具体要求确定所选材料: 工作温度, 成本, 是否容易采购, 是否容易获得样品……
常规的低频材料
飞磁的常规,高饱,低温和高温低频材料
高温 高饱
低温 常规的高频材料
常规3C96
TDK低频宽温材料PC95对比
4
5 6 7 8 9
输出二极管压降 Vd (V)
工作效率 h 开关频率 f (kHz) 最大占空比 Dmax 环境温度 Ta (℃) 允许温升 Tr (℃)
0.3
0.9 100 0.4 25 75
用于计算功率
用于计算输入功率(Pin), 一次侧电流(Iin,Ip) 用于选择磁性材料,计算电流(Ip,Is,ILo) 用于计算峰值电流Ipk,交流磁通Bac等 限制磁心损耗和绕组电流密度
基本理论： 磁场中任何一条B线(磁感应强度，即磁通密度)都是连续且闭合的 空间任何一点，进去多少B就得出来多少B
因为磁通不能被截断，所以磁通在时间上也只能连续变化而不能突变
B
B
变压器的基本原理
磁路与电路的对比:导磁材料（磁性材料）的特点
1.有顺磁性的基本元素少,只有铁钴镍，（而纯金属基本都可以导电） 2存在居里温度，高温会使磁性材料失去导磁性；(导体在低温下会出 现超导现像） 3.存在磁滞现像，即H上升时对应该的B曲线与H下降时的不同，但2条 曲线是合起来可以形成一个闭合回路（而电阻中电压与电流的关系是 线性的） 4.由于磁滞现像，磁性材料的磁场中，一个储能－放能周期中，储能将 大于放能，形成磁滞损耗：此损耗为周期性的而非线性的 5.由于形成磁滞现像要有周期性变化的磁场，因此恒定磁场的磁性材料 没有磁滞损耗．（只有Bdc时磁材料不会有损耗，而Idc在电阻中照样 有损耗） 6.磁性材料有饱合特性，Ｈ增大到一定值后磁性材料将失去导磁性，B 将线性增加
节点1
1
2
F
I1
IV
I2
V2
R2
回路1
F2
回路1
Rm1
Rm 2
+ -
F
R1
+ -
V
节点1: 回路1: F F2 0
Βιβλιοθήκη Baidu
1 2 V 0
节点1: 回路1:
I1 I 2 IV 0
V V2 0
变压器的基本原理
磁路与电路的对比:磁通连续性定理
描述：表征磁场基本性质的一个定理。它指出，由任一闭合面穿出的净磁通等于零，即穿出 的磁通等于穿入的磁通，而其代数和为零 （这个定律应用于磁路上就是KCL的磁路定理）
磁通,Flux, 磁通密度,Flux density, B 磁阻,Magneto-resistance, Rm
安培环路定律
电动势,Voltage, E
电流,Current, I 电流密度,Current density, J 电阻,Resistance, R
欧姆定律 E RI
磁导率
N I H l Rm l Rm m 磁阻 Am
导磁回路(磁心)
励磁磁通 漏磁磁通
Vin I in m I out
Lk
Vout
原边绕组
副边绕组
一次侧
二次侧
变压器的基本原理
磁路与电路的对比:类比

+ -
i
+ -
NI
Rm
V
R
Magnetic circuit,磁路
Electric circuit,电路
磁路
电路
磁动势,Magnetomotive force, F,MMF
1.温度特性: a.温度上升导磁率上升 b.温度升到居里温度导磁率会突 然降为不良导体 2.导磁特性 非线性态,有B-H回路 • 有剩磁Br和校顽力Hc 存在当H=0时fi=/=0 即:mmf=Hl=/=R*fi 及当fi=0是H=/=0 b.有饱合性,即当H上升到一定程 度时,fi将不再增加 3.损耗特性 由于有磁回路,恒定磁场P=0 交变磁场,P=/=mmf*fi
6.AP计算:
AP Ae Aw
(1 h ) I prms Vmin Dmax Bmax f s J p Ku
8114 m m4 ) (
磁心的选择
d.跟据AP选择铁心
1.常用铁心形状A
EE
ER,EC,ETD
形状分 类 EE,ER, EC,ETD 特点 常规铁心,价格 低廉,窗口面积 大,大功率时易 作安规. 平面化的EE类 铁心 适用情况 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 应用情况同上，应用 于功率密度较低，且 要求Low Profile，表 贴或沉降式结构 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
f*B (HzT)
35000HzT
32000HzT 22000HzT
Pcv=100 kw/m3
N49
3F35 3C96
200
23000HzT
Pcv=100 kw/m3
3F4
T=100℃
N97
5000 0
10000 0
f(kHz)
1000
f(kHz)
2000
f .B: 表现一个材料在一个频率下所能通过的B的能力