1、开关电源功率磁性器件优化设计指南及案例张文学 教授张文学北京动力源 总工程师Outline序言功率磁件直流工频电感设计案例1设计案例2变压器变压器设计案例交流电感交流电感设计案例序言 世界统一于能量 21世纪是能源世纪能源技术包括能源的开发 转换 传输 应用 后三者日趋电力电子 能源技术包括能源的开发 、 转换 、 、 ，化 能源技术 IT技术，电力电子技术 微电子技术，电力半导体器件 CPU 优化设计 通过从方案到器件的综合优化使产品的综合性能与综合优化设计 成本比值最大化功率磁件直流工频电感：储能 效率变压器效率 /温升 体积重量 成本变压器：效率 温升 ， 体积重量 ， 成本交流电感：效
2、率 /温升， 体 积重量，成 本交流感效率 体 本功率磁件储能电路磁场!能量储存在气隙中均匀气隙 ，磁路中 1个或多个 平行气隙气隙非均匀气隙 ，磁路中一个或多个 不平行或分布气隙准线性电感 非线性电感功率磁件直流电感优选磁材准线性电感 高磁密铁氧体 非晶类准线性电感 ： 高磁密铁氧体 ， 非晶类非线性电感：铁粉芯类，铁硅、铁硅铝等合金类在储能、效率、温升相对合理下，二者体积相差不大，但铁氧体成本最低，效率最高，温度敏感UPS等输出电感有成倍过流要求的宜用非线性类；PFC、 光伏逆变等无过流要求的宜用线性类、直流电感:设计案例一 3KW， 220/48V, 电源 PFC电感磁材优选 : 某型高
3、磁密铁氧体直流电感:设计案例一 3KW， 220/48V, 电源 PFC电感磁材优选 : 某型高磁密铁氧体磁芯尺寸 , 自开模 u-u型 ,插入铁芯图片插入铁芯图片u-u型磁芯 尺寸尺寸电路优化直流电感:设计案例一 3KW， 220/48V, 电源 PFC电感电路优化 ：可用磁密 :0.4T 100 ,28A电路优化直流电感:设计案例一 3KW， 220/48V, 电源 PFC电感电路优化 ：磁材优选 : 某型高磁密铁氧体电感储能 :气隙储能密度常数气隙体积 :TcmmJ 1/4003：TcmmJ 4.0/643气隙长度 :即 2个 1.3mm的气隙电感系数 :匝 数 :取 30T匝 数取直流
4、电感:设计案例一 3KW， 220/48V, 电源 PFC电感电感储能 :气隙体积 :气隙长度气隙长度 :电感系数 :2个 1.3mm的气隙由于气隙边缘效应，实际电感比计算大，宜 略加大气隙电感系数匝数:30T宜 略加大气隙绕线： 0.16,120根， 30匝，直流电阻 70直流电感:设计案例一 3KW， 220/48V, 电源 PFC电感工频铜损 4.2w，高频铁损约 0.5w直流电感:设计案例一 3KW， 220/48V, 电源 PFC电感工频铜损 4.2w，插入实物照片瞬态温升法实测功耗约 65高频铁损约 0.5w6.5w，即气隙涡流和高频铜损约6.5-4.2-0.5=1.8w磁材优选
5、某型铁硅磁环 初始磁导率直流电感:设计案例二 3KW， EPS模块输出电感磁材优选 ： 某型铁硅磁环 ， 初始磁导率 60直流电感:设计案例二 3KW， EPS模块输出电感磁材优选 某型铁硅磁环 初始磁导率磁材优选 ： 某型铁硅磁环 ， 初始磁导率 6050.8 31.8 13.5OD ID HtVolume： 15.9电感系数：有效磁路长度 12 7cm有效磁路长度 ： .截面积： 125cm2电路优化 50KHz 恒频 SPWM v直流电感:设计案例二 3KW， EPS模块输出电感电路优化 ： , 恒频 ，功耗设定：固定功耗，线性功耗，平方率功耗Volume： 15.9初始功耗： (根据经
6、验 ) 铜 10w,铁 5w 9w5/0.55 9/15.9恒频 SPWM周期平均铁损是最大值（即方波）的约 0.55倍即 50k 方波铁损为 9w即 ， 方波铁损为 。查铁损耗曲线 ： 电路优化 ： 50KHz, 恒频 SPWM， v直流电感:设计案例二 3KW， EPS模块输出电感查铁损耗曲线 ： 电路优化 ： 恒频 ，50K下铁损为查表得：直流电感:设计案例二 3KW， EPS模块输出电感铜损、绕线： 估计每匝线长 6cm， 共 72 6=4.3m， 用 1.6漆包估计每匝线长 ， 共 64.3m， 用 漆包线 (2mm2)绕， ，= mmmmmmmmrdc432/203.422这样得到
7、工频铜损为 wAm 4.8)14(432= 将匝数增加到 80T，工频铜损约 10w，铁损和高频铜损可进一步降低 = mAwrdc50)14(102电感计算直流电感:设计案例二 3KW， EPS模块输出电感电感计算 ：lNIH 256.1=20NALLA=I(A) 0 20 40 60H(oe) 0 158 316 474eL(uH) 467 230 121 75查磁密曲线可得：电流 20A时（即 H=158 oe时），磁导率下降为约 50%，电感量也下降到约 50%，其余类推功率变压器:设计案例 6KW，半桥 LLC变压器额定输入 360v 输出 265v额定输入 ， 输出电路优化：初级次级
8、 14:20，额定工作频率略低于谐振点较优。由于匝比的整数效应，不能微调，只能通过磁芯尺寸和工作频率进一步优化磁芯尺寸 , 自开模 u-u型 ,功率变压器:设计案例 6KW，半桥 LLC变压器绕线 ： 双线包 每线包初级 7T 次级 10T 分别串联： 双线包 ， , 次级 , 分别串联N1,N2=7TN3,N4=10T功率变压器:设计案例 6KW，半桥 LLC变压器频率优选 ： 取决于铜、铁损分配经验积累： kw级正弦电流变压器效率 99.5% 0.1%，因此功耗约 30w因此功耗约 ；风冷散热， 50-70%载时铜铁平衡；铁损 5-10w，铜损 20-25w功率变压器:设计案例 6KW，半
9、桥 LLC变压器频率优选 取决于铜 铁损分配： 、铁（固定损耗）铁损 5 10w 铜损 20 25w3铁损为 5.95w 铁损 - ， 铜损 -3/17.0 cmw35cmVeCore Loss：TBM14.0=Flux Density：21265111 fvtV试凑出频率 ： f取 100kHz224020222 mmANBBem=功率变压器:设计案例 6KW，半桥 LLC变压器绕线设计与铜损计算绕线设计与铜损计算经验：风冷电流密度可取 6-8A/mm2次级电流：Avkw2511.12656=的铜带可用 361.0/ 初级电流： AA 7.35142025 =的铜带可用 3614.0/ 肌肤
10、效应： mmHzf )(72邻近效应 : Dowell曲线，交 /直流阻抗比功率变压器:设计案例 6KW，半桥 LLC变压器绕线设计与铜损计算如每线包 不用三明治结构绕线设计与铜损计算如每线包 不用三明治结构则初级有效层数 7，厚深比为61.023.014.0=次级有效层数 10 厚深比为7.1/ =dcacRR4301.0次级有效层数 ， 厚深比为.23.0=3.1/ =dcacRR由邻近效应引起的功耗太大，故每线？采用三明治结构功率变压器:设计案例 6KW，半桥 LLC变压器绕线设计与铜损计算采用 三 明治结构 ， 次级的 10层分成两半 ，包 裹初级 7层绕线设计与铜损计算采用 明治结构
11、 次级的 层分成两半 裹初级 层则初级有效层数 3.5，厚深比为 61.023.014.0=RRRR 361111/次级有效层数 5，厚深比为= mdcacdcac,.43.02301.0=初次级 基波功耗 约 16w.= mRRRRdcacdcac0.81.1,1.1/初次级 基波功耗 约 ；功率变压器:设计案例 6KW，半桥 LLC变压器绕线设计与铜损计算绕线设计与铜损计算初次级 基波功耗 约 16w；用 Dowell曲线计算 3次、 5次谐波 功耗约 1.5w估算 引脚、搭桥功耗 约 1w变压器铜损共 18 5变压器铜损共 . w用瞬态温升法测铜铁损基本吻合高频交流电感:设计案例 6KW
12、，半桥 LLC串联谐振电感额定满载工况： f=100kHZ,电流有效值 37A，峰值 50.5A， L=4.6uH.此电感铁铜损均近似为平方率功耗，可考虑满载铜铁平衡，参考容许铜铁温升参考容许铜铁温升经验： PQ3235磁芯232mm255.6,13,162 = 线窗cmVmmAe铁损 6w，铜损 8w高频交流电感:设计案例 6KW，半桥 LLC串联谐振电感铁损 6 根据铁损查磁材损耗曲线铁损 w， TBm21.0=根据气隙储能密度，TcmmJ 1/4003此电感的储能密度： TcmmJ 21.0/6.1721.040032=电感最大储能：气隙体积mJLIEL9.5212p=33409.5V注
13、释：每 mm气隙必须有 800安匝气隙体积 (不计边缘效应 ):气隙：.6.17cmg=mml 1234.0才能产生 1T的磁感应强度ggclllggccBBlHlHNI +=+= )(匝数：g.62.1=匝71.221.0800=mmTNggc匝5.50 A高频交流电感:设计案例 6KW，半桥 LLC串联谐振电感绕线设计1. 交流电感的的绕线设计比变压器更复杂2. 不能用三明治降低邻近效应3. 气隙的漏磁涡流效应不能用铜带4 李兹线在股数很多 ， 匝数较少时 ， 通过空间对称性抵消邻近效应和气隙. 李兹线在股数很多 ， 匝数较少时 ，涡流的能力大大消弱5. 用多条李兹线并绕会通过两端形成的涡流邻近效应环流，功耗可能增数倍
