电源变压器基础与设计

,变压器设计与材料选择,目录,变压器的结构和组成变压器的设计,变压器的结构和组成,变压器,原边绕组,副边绕组,导磁回路(磁心),励磁磁通,漏磁磁通,一次侧,二次侧,1.改变电压2.隔离电路,绕组的电压关系,法拉第定律:,交变磁场中的电动势:,变化磁场,变化磁场在闭合回路中产生的感生电势,E,空间回路,法拉第定律,变压器,跟据法拉第定律:,变压器电流关系,楞次定律-变压器的电流关系,描述:闭合回路中感应电流的方向，总是使得它所激发的磁场来”阻碍”引起感应电流的磁通量的变化,变化磁场,变化磁场在闭合回路中产生的感生电流,感生电流所产生的磁场,实际通过闭合回路的磁场,i,导体,楞次定律,磁通不能突变,应用:通常变压器的电流决定于负载,跟据楞次定律,可用作变压器的软磁材料,可用作变压器的磁性材料,锰锌铁氧体(Mn-ZnFerrite):,镍锌铁氧体(Ni-ZnFerrite):,功率铁氧体,非晶，超微晶，纳米晶:,硅钢片,工频变压器,高频开关电源变压器（40KHz-2MHz),高频开关电源变压器（2MHz),中低频开关电源变压器（40KHz),铁氧体材料的选择,选择磁性材料的关键点：,：磁心的饱和磁密：磁心的损耗(储能与放能之差),B,H,Hdc,Hdc=0,Hdc,一三相限:Fullbridge一相限:forwardDCBias:flyback,Bac,Bac,Bac,Bm,磁损曲线,BH曲线,单位体积磁损公式：,材料的损耗指标:固定Pcv时的FxB公式,不同铁氧体的使用频率,f.B:Materialperformancefactor,22000HzT,32000HzT,23000HzT,35000HzT,f.B:表现一个材料在一个频率下所能通过的B的能力,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,一般情况下fs300KHz,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=80mTfs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,Pcv300mw/ccB1=0.5*80%*Bs=136mT;B2=28000HzT/200KHz=140mT,取B1和B2中的小值作为Bmax=136mT,磁心的Bmax的选择方法,不同特性的铁氧体材质,常规的低频材料,飞磁的常规,高饱,低温和高温低频材料,低温,高温,高饱,常规3C96,常规的高频材料,TDK低频宽温材料PC95对比,选择磁心的形状,常用铁心形状A,EE,EFD,ER,EC,ETD,PQ,RM,选择磁心的形状,常用铁心形状B,EQ,PJ,PlanarEE,磁心的选择,磁性材料的选择依据1.工作频率范围2.饱和磁密大小,磁心形状的选择依据1.功率密度的要求2.成品高度的限制3.绕组的多少4.线包的引出线形式,绕组的结构,Simple,Sandwich,Interleaving,漏感减小,交流损耗减小,隔离结构复杂,常用导线,名称:漆包线,电磁线结构:圆铜线外覆绝缘漆规格:0.04mm-1.0mm,名称:三层绝缘线结构:圆铜线外覆三层绝缘膜,耐压0.05mm常用作绕组导线,名称:多股绞线，Litz线，李兹线结构:多根同规格的漆包线制的绞线规格:0.1xN,0.12xN,0.2xN等,常用导线,名称:镀锡线，镀锡铜线结构:圆铜线外镀锡规格:0.2-1.0,常用作引脚,跳线,需要加绝缘,名称:冲压铜片(常镀锡)结构:生铜片直接冲压切割成片状绕组的形状规格:厚0.5-1.0,需加绝缘,名称:扁平线结构:扁平的漆包线规格:跟据规格和厂商生产能力;宽:厚10,高频交流损耗,集肤效应(Skineffect):,邻近效应(Proximityeffect):,主电流,主电流在导体外产生的磁场,在导体内回路包围的电流在导体中产生的磁场,在导体自身电流产生的磁场所产生的涡流,方向上,靠近导体表面的电流与主电流同向,而靠近中心的电流与主电流反向,导体内通过交流电流,主电流与自身电流所产生的涡流叠加,使导体截面上电流分布呈现表面电流密度大,内部电流密度小的现像.,J,x,导体内通过交流电流,主电流与外部磁场所产生的涡流叠加,使导体截面上电流分布呈现左右电流密度分布不均的现像.,主电流,主电流在导体外产生的磁场,在导体内回路包围的电流在导体中产生的磁场,集肤电流,J,x,外部交流磁场,外部磁场产生的涡流,使用工具估算绕组的损耗,AnsoftMaxwell2D&3D,通过维和维分析，推算变压器的损耗和漏感,优点：较准确缺点：对硬件要求高；模型要尽可能接近实际,使用工具估算绕组的损耗,Dowell1Dmodel(MagneticsDesigntool),通过1维分析，推算变压器的损耗,优点：较准确,可以连续分析缺点：理想化的模型，对一些结构有简化，简化越多，误差越大,输入电流波形,计算在上面波形下不同导线的R/Rdc,Litz线的简化,漏磁通与漏感,磁通回路全部通过绕组的磁通为励磁磁通位置上为全部在铁心中磁通回路有一部分在绕组间的磁通为漏磁通，位置上为经过窗口的磁通,漏磁通存储的磁场能量,一般情况下，,而与基本相当,所以可以简略认为,漏感与磁场,漏感的估算,Hmax,H=0,Hw,减小Lk的方法:1.拉高窗口宽度或拉宽窗口宽度(如平面化)2.减小每个磁回路的电流和(如三明治或interleaving)3.减小Hmax的区域体积(如减小P-S之间距离)4.减少圈数,而:,故:,变压器的设计,开关电源的拓扑,变压器的设计,相关参数,计算AP,选择铁心,设计绕组,评估变压器性能,AP法介绍,AP法,即AreaProduct(面积乘积)法的简写,走磁通的面积Ae,走电流的面积Aw,X,=AP,AP的计算公式,(磁心的储能能力),(磁心的通过电流的能力),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,2.磁性元件的一些常规设计参数,磁心的选择,1.计算最大输出功率,2.计算原边平均电流Iin,3.预计算原边电流脉冲Ipk,Ipk,原边电流波形,4.预计算原边电流有效值Iprms,r,Forward变压器磁心中的回线,DB,磁心的选择,5.Bmax的选择:,fs10mm,线包结构：常规变压器，原副原三明治结构注意：辅助变压器或需要高漏感的变压器可以考虑用Simple结构而要求低损耗时可以考虑采用interleaving结构,绕组的计算与选择,3.通过一维计算确定导线的优化条件.,一二次侧边界,主层,次层,原边绕组主次共层副边绕组主次共层,一二次侧边界,主层,次层,内外原边绕组一个层个层中间副边绕组次层由主层平分到个组中，各有层,注意：铜箔的规则与导线相同如果是Litz线，层数还要乘上股数的开方值（如层0.1x25c线的损耗层数是xsqrt(25)=2x5=10层,绕组的计算与选择,4.不同线组合的对比列表.,绕组的计算与选择,5.导线的选择与排布.,BBN的绕线空间,13.55,4.1,0.1x25c,线径约0.65mm每层可布20圈，共布2层余4圈总厚0.65x3=1.95mm,0.5,线径约0.55mm每层可布24圈，共布2层少4圈总厚1.1mm,副边绕组:0.9TIW,线径约1.15mm每层可布11圈，一层布完,总厚1.15mm,0.12mm铜箔,每层外带6层胶带合计0.48mm,组合,0.1x25c+0.9TIW,sandwich,总厚度3.76mm,组合2,0.5+0.9TIW,sandwich,总厚度2.91mm,铜箔绕组,对比0.9TIW,当铜箔绕组超过3匝,即不合算,绕组的计算与选择,6.线包结构.,Top,Bottom,P绕组1,24Ts,0.5,实际厚度约0.5mm,P-S绕组间绝缘和Shielding共厚约0.42mm,S绕组9圈TIW0.9线除去绝缘实厚约0.9mm,P-S绕组间绝缘和Shielding共厚约0.42mm,P绕组2,20Ts,0.1x25c,实际厚度约0.5mm,PQ2625组合2RM12/I组合1,Top,Bottom,P绕组1,21Ts,0.1x25c,实际厚度约0.65mm,P-S绕组间绝缘和Shielding共厚约0.42mm,S绕组7圈TIW0.9线除去绝缘实厚约0.9mm,P-S绕组间绝缘和Shielding共厚约0.42mm,P绕组2,14Ts,0.1x25c,实际厚度约0.65mm,绕组的计算与选择,7.导线损耗的计算.,采用组合2方案,0.5+0.9TIW,sandwich,总厚度2.91mm,原边直流电阻,原边等效电阻,副边直流电阻,副边等效电阻,绕组损耗,铁心的加工,1.气隙的计算.,对于正激变压器，电子工程师需要给出一个合适的电感值,以降低铁心中的Br,例如:Lp=800uH,较准确的气隙电感计算公式：,气隙可以加工,铁心的参数计算,1.实际的交流磁通密度.,2.铁心损耗的计算.,3.总损耗的计算.,4.损耗比重.,漏感的估算,13.55,2.74,0.5x24T,0.9x9T,0.5x20T,磁心对称轴,7.1,0.42,0.42,H,24AT,-20AT,14,3.04,0.65x21T,0.9x7T,0.65x14T,磁心对称轴,7.3,0.42,0.42,H,21AT,-15AT,H1,H2,x1x2x3x4x5x6,x,x,H对x的函数,漏感能量与电感之间的关系：,计算出来的结果并不能代表实际的结果，但可以对比不同的绕组结构的漏感大小,计算漏感时的线包总厚度不包括线包最外层的胶带厚度,线包截面及相对尺寸,线包截面及相对尺寸,反激变压器的设计,设计参数,1.从电路引入的设计参数,2.磁性元件的一些常规设计参数,Flyback的工作模式,1.FLYBACK的工作原理,*,*,Vin,Lk,Lm,Tx,ip,im,CCM,ContinuousCurrentMode,连续电流工作模式DCM,DiscontinousCurrentMode,断续电流工作模式DCMB,DCMBoundary,临界断续电流工作模式,上述模式均指的是Lm的工作状态,im,CCM,DCM,im,DCMB,用AP法选择磁心,1.AP的计算,Ippk,原边电流波形,Ispk,副边电流波形,2.计算原边平均电流Iin,3.预计算原边电流峰值Ipk,4.预计算原边电流有效值Iprms,1.输出功率Po,5.原边电感值Lp,7.计算AP,6.Bmax选择,跟据频率选择材料为3C96,再跟据Bs选择Bmax=Bac=0.1036,铁心的选择,跟据AP选择铁心,跟据下表选择PJ3018,选择条件：1.flyback2.假设限高20mm3.要求高功率密度4.无风,BBNforJ3018,圈数的计算与选择,1.圈比的计算.,2.圈比的合理性.,n=4.46满足要求,3.圈数的计算.,Mos耐压Vds=600V,裕量Vdsmargin=150V,Diode耐压Vdm=150V,裕量Vdmmargin=50V,回算：,取：,圈数的计算与选择,3.验算圈比和DutyCycle.,4.计算气隙.,5.铁心中磁通的计算.,满足要求,满足要求,跟据,得到,可以加工,交流磁通,直流磁通,最大磁通,满足要求,绕组的计算与选择,1.计算导线截面积.,前面已得出：Iprms=1.046AJp=500A/cm2,对于反激电路，副边电流,前面给定Js=500A/cm2,2.导线类别和线包结构的初选.,原边线径,单心线0.55mm,多股线0.1x30C,副边线径,TIW均小于1.0,取TIW0.8x2,线包结构：常规变压器，原副原三明治结构,绕组的计算与选择,3.在designtool中计算Re/Rdc.,4.导线的排布.,P绕组1,14Ts,0.1x30c,实际厚度约0.75mm,P-S绕组间绝缘和Shielding共厚约0.42mm,S绕组7圈TIW0.8x2线2层除去绝缘实厚约1.9mm,P-S绕组间绝缘和Shielding共厚约0.42mm,P绕组2,17Ts,0.1x26c,实际厚度约0.75mm其中内层13圈,外层4圈,占用1.5mm,线包总厚度:5.1mmBBN壁与Core之间5.35mm,绕组的计算与选择,5.绕组损耗的计算.,0.1x30C+0.8TIWx2,sandwich,总厚度2.91mm,原边直流电阻,原边等效电阻,副边直流电阻,副边等效电阻,绕组损耗,考虑到气隙的扩散效应造成的损耗，Pw估测损耗增加30%,变压器的其它性能参数,.铁心损耗.,2.变压器总损耗耗.,3.变压器损耗比重.,变压器的其它性能参数,4.漏感的估算.,H对x的函数,漏感能量与电感之间的关系：,计算出来的结果并不能代表实际的结果，但可以对比不同的绕组结构的漏感大小,10.7,4.49,0.75x14T,0.8x7T,0.75x17T,磁心对称轴,7,0.42,0.42,H,14AT,-17AT,x,线包截面及相对尺寸,Flyback辅助绕组的电压调整,常见做法:主输出Vo1有反馈控制,辅助输出不控,由Nso1与Nso2的变比决定输出电压,常见问题:主输出Vo1重载,Vo2电压漂高.,多路输出的交差调整问题,漂高原因电压spike,解决方法:1.加强辅助绕组与受控副边间的偶合,强化受控输出对辅助输出电压的钳位(主要因素)2.尽可能地减小辅助输出与原边间的偶合，减小原副边转换时的电压尖峰对辅助绕组的影响(次要因素)做法：,PS1Aux(S2),Aux,Sec,Pri,Goodcouple,Badcouple,全桥变压器的设计,设计参数,1.从电路引入的设计参数,2.磁性元件的一些常规设计参数,用AP法选择磁心,1.AP的计算,Ipk,原边电流波形,2.计算原边平均电流Iin,3.预计算原边电流脉冲Ipk,4.预计算原边电流有效值Iprms,1.输出功率Po,6.计算AP,5.Bmax选择,跟据频率选择材料为DMR44,全桥磁心在1-3相限工作，跟据Bs选择Bmax=Bac=0.2017,铁心的选择,跟据AP选择铁心,跟据下表选择PQ3230,选择条件：1.全桥2.假设限高35mm3.要求高功率密度4.有风,PQ3230BBN绕线空间,圈数的计算与选择,.圈数的计算.,复算Np,圈数的计算与选择,2.原边无气隙电感的计算.,MPL=71.8mm,Ae=149mm2,Bac=200mT,3.变压器的变比.,4.实际最大占空比.,D最大值满足要求,绕组的计算与选择,1.计算导线截面积.,前面已得出：Iprms=4.99AJp=600A/cm2,对于全桥电路，副边电流,前面给定Js=600A/cm2,2.导线类别和线包结构的初选.,原边线径,单心线0.8mm,多股线0.1x50C,副边线径,线径过粗,选用铜箔0.1x16,常规绕法,绕组的计算与选择,3.在designtool中计算Re/Rdc.,厚度大于0.2mm的铜箔,损耗基本相同,绕组的计算与选择,4.导线的排布.,P绕组1,14Ts,0.1x50c,实际厚度约0.95mm,P-S绕组间绝缘和Shielding共厚约0.42mm,S1和S2各1圈0.2x16铜箔,实厚0.7,P-S绕组间绝缘和Shielding共厚约0.42mm,P绕组2,14Ts,0.1x50c,实际厚度约095mm,常规结构,绕组的计算与选择,5.绕组损耗的计算.,0.1x50C+0.2X16copper,sandwich,总厚度2.91m