1、1开关电源高频磁集成技术陈为 博士()福州大学电气工程与自动化学院 教授 , 博导中国电源学会变压器与电感器专委会 主任台达能源技术 (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2一、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主要內容3PlanarPlanarMatrixMatrixModuleModuleIntegratedIntegratedHybridHybridHigh freq.High freq.开关电源高频磁技术的发展Micro-fabricatedMicro-fabricated高频化 平面化 阵
2、列化 模块化 集成化 微型化 合成化4磁集成技术的基本概念5null 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。null 研究如何有效地、巧妙地利用磁性元件的杂散参数null 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。null 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。null 研究如何有效地、巧妙地利用磁性元件的杂散参数null 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。nu
3、ll 缩小磁元件的尺寸null 降低磁元件的损耗null 减少磁元件的数量null 降低磁元件的成本null 提高开关电源的效率null 产生新的电路拓扑null 缩小磁元件的尺寸null 降低磁元件的损耗null 减少磁元件的数量null 降低磁元件的成本null 提高开关电源的效率null 产生新的电路拓扑磁集成的目的什么是磁集成技术6SRDMCD2ACMCPFCLTXTX开关功率变换器中的磁性元件7磁性元件与PCB 的集成PCBMagneticsFilter chokeTransformer primaryTransformer secondaryOutput inductorHybri
4、d design with planar magnetics8Flyback TX/Inductor(Lm+TX)*LmTXTX with large leakage(Lk+TX)*LkTX大家熟悉的磁集成Coupled InductorL+L = 3L*L1 L2ML1-M L2-MMDecoupling9差、共模滤波器的集成 (LCM+LDM)CM: High-, Low saturationDM: Low-, High saturationLCMLCMLDMiCMiCMiDMiDMDMCMDMiCMiCM CMiDMiDM10Motorola Patent (1994)CM Flux D
5、M FluxDelta Patent (2001)00.10.20.30.40.50.60.70.80.90 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8Operating Current(A)Gap(0.48mm) Gap(0.4mm) Gap(0.32mm)Gap(0.24mm) Gap(0.16mm) Gap(0.08mm)LDM(mH)024681012141618200 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8Operating Current(A)Gap(0.48mm)Gap(0.4mm)Gap(0.32mm)Gap(0.24mm)Gap(0
6、.16mm)Gap(0.08mm)LCM(mH)CMDM差、共模滤波器的集成实例CMDM11Cuk电路电感的磁集成v1v2vivovivov1v2 v1=v2vivo 1=2 if N1=N2N1 N2Vc Vc=Vi+Vo+-+-12v1v2vivovivov1v2v1=v2dtdiMdtdiLv2111+=Lvvv =12i1i2+-dtdiMdtdiLv1222+=eqLLvdtdi11=211111)1(LLkkkLLeq+=eqLLvdtdi22=+-eqL10121= LLkifeqL2ifML1L2122211)1(LLkkkLLeq+=0112= LLk)1(21kLLLeqe
7、q+=LLL =21ifInput zero rippleOutput zero rippleRipple reducedZero ripple conditions磁集成Cuk 电路的纹波减小与零纹波条件By: Cuk, Slobodan M.US 4257087Date: March 17, 1981 13隔离型Cuk 电路的磁集成By: Cuk, Slobodan M.US 4257087Date: March 17, 1981 14倍流整流(CDR) 电感的集成 (L+L)Non-coupled (Lm=0, Lk)VoTrD1D2LkNp NsLkDvst0tttttt i1 i2i
8、o i1 i2 ioDt0Full coupled (Lmnull , Lk)VoTrD1D2LkNp NsLk15倍流整流(CDR) 电路的磁集成 (TX+L+L)So, Ns can be removedIL1IoIL221 LLII +VNs=VL2-VL1nullNs=L2-L1 NS=NL1=NL2Patent No. US5784266, 199816i1Vo1 i2NpNp2cC=2-1i1Vo1 i2NpNp2C=2+1C=2+1i1Vo1 i22cNpci1Vo1 i2NpNp2cLarger Lm Less B in central leg Reversely couple
9、d of L BDCcanceled in outside legs Larger Lmof TX Less leakage of TXnull BDCexists in central leg null Longer Pri. winding wirenull L is limited by TX turn-ratioPolarities reversed in one legP-winding split into 2 outer legs倍流整流电路的磁集成的改进17倍流整流电路的磁集成的进一步改进L is limited by TX turn-ratio null Larger ioa
10、bababReduce iofurther by extra L0in outputioioIntegrate L0in central legUS 6549436File: Feb. 21, 2002US 2002/0075712File: Dec. 18, 200018US 6 873 237File: Apr. 18, 2002Date of Patent: Mar 29, 2005US 7 280 026File: Aug. 19, 2004Date of Patent: Oct. 9, 2007倍流整流电路的磁集成的扩展应用Two-modules of “Integrated CDR
11、” interleaved19正激开关变换器的磁集成Discrete magneticsNp1Np2NLNsIntegrated magneticsg sp: Flux from Inputg: Flux for Flyback outputs: Flux for Forward outputpSS20VRM电压调整模块的电感耦合磁集成+M0oVin VoL1S11S22180oS12S21Vg1Vg2L2i1i2io0o180oVinVoL1S12S22S11S21Vg1Vg2L2i1i2io0DVg1Vg2i1i20.50.5+D1Reversely coupling: null可以改善动
12、态性能，而影响静态性能。null Lk null总电纹波或动态性能；null Lm & Lk null各支电纹波或静态性能。021变压器与变压器的磁集成1 21 2Two TXscoupled/2P1S1P2S2P1S1P2S2P2S2/2P1S1P1S11 2P1S1P2S2null Two TXsde-coupledbut less Lm Two TXs de-coupledwith large LmTwo TXsdiscrete22磁集成电路的基本分析方法231) Calculate D, , B by electric circuit model2) Calculate ip, is,
13、 iLby magnetic circuit model3) Calculate ipDC, isDC, iLDCby electric circuit model4) Calculate Bdc0, Bdc1 , Bdc2 by magnetic circuit model5) Calculate ip(t), is(t), iL(t) and B0(t), B1(t), B2(t)6) Calculate losses Pw, PcoreNpNsN1B0B1B2ipisiLip(t), is(t), iL(t)B0(t), B1(t), B2(t)Electric circuit + Ma
14、gnetic circuitECK+MCK磁集成电路的分析 磁路电路综合分析24Integrated Magnetics models are built for dynamic simulation by SaberIM Saber model40us Output voltageLoad currentFluxes in each core legDynamic response磁集成电路的分析 仿真分析25电磁场分析基本理论DtJH+=BtE=0=B= DED =HB =EJ =JH =BtE=0= BHB =EJ =IdlH = dSdtdBdlE0=dSBAmperes LawFar
15、adays LawFlux ContinuityMaxwell EquationsDifferential forms Integral forms Physical LawsAmperes Law: 线圈上的激磁电流安匝 nullnull 磁芯内的磁动势，磁场强度Amperes Law: 线圈上的激磁电流安匝 nullnull 磁芯内的磁动势，磁场强度Faradays Law: 线圈上的感应电动势 nullnull 磁芯内的磁通量，磁通密度Faradays Law: 线圈上的感应电动势 nullnull 磁芯内的磁通量，磁通密度26dtdBAeNdtdNdtdu =Amperes LawFa
16、radays LawFlux Continuity012iiv210+=meulHNi =磁路分析基础iUmV=VT/NUm=I*NMagnetic CircuitElectric Circuit27acUacIacBacVNpV0DTsV1DTs0ac1ac2acpacNTsDV =00111NTsDVac=acacac 102=000AeBacac=111AeBacac=222AeBacac=0ac1ac2acRm1Rm2Rm0acmacmacRRU22000+=acmacmacRRU22111=pacacNUI00=111NUIacac=交流电压激励分析V*TD+=D-null Volt
17、age transfer ratio, Vo/Vi电压转换比：28dcdcdcdc*NNpI0dcI1dc0ac1ac2ac0dc1dc2dcRm1Rm2Rm0I0dcNpI1dcN1000AeBdcdc=111AeBdcdc=222AeBdcdc=202201121000/1/mmmmmmdcmmmdcdcRRRRRRNIRRRNpI+=201121221001/1/mmmdcmmmmmmdcdcRRRNIRRRRRRNpI+=dcdcdc 102=直流电流激励分析29ViVoiiNp*ipisD+=DDiipDpsDsNiNi =+NsN+=DDNpipisii(t)DDipisD( ) ( )222121+=DDDDiLiLlANLDeD20=lANLDeD20+=2211llle+=l1l2+=DDii21+=DDEE开关换流过程分析30有源钳位正激磁集成变换器分析NpNsN1ViVcVoioipi1o21is*
