高频磁技术

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
变压器如何减小来自百度文库圈损耗
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
• 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
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
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
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
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
主要局限: 1. B和J都很难决定,特别是J 2. 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
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
电力电子高频磁技术
益衡电子公司工程部 2007/07
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
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
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.
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
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
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
• 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)
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
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
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
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 ?