开关电源变压器设计与材料选择

1、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 变压器变压器 in V out V in I out I m Lk 原边绕组原边绕组 副边绕组副边绕组 导磁回路(磁心磁心) 励磁磁通 漏磁磁通 一次侧 二次侧 1.改变电压 2.隔离电路 绕组的电压绕组的电压关系关系 法拉第定律法拉第定律:交变磁场中的电动势交变磁场中的电动势: : )(N dt d E 变化磁场 变化磁场在闭变化磁场在闭 合回路中产生合回路中产生 的感生电势的感生电势E 空间回路 法拉第定律法拉第定律 in V out V in I out I m Lk 变压器变压器 跟据法拉第定律: )( Lkmin Np d

2、t d V )( mout Ns dt d V Np Ns n V V in out Lkm 变压器电流关系变压器电流关系 楞次定律楞次定律-变压器的电流关系变压器的电流关系 描述描述:闭合回路中感应电流的方向，总闭合回路中感应电流的方向，总 是使得它所激发的磁场来是使得它所激发的磁场来”阻碍阻碍”引起引起 感应电流的磁通量的变化感应电流的磁通量的变化 变化磁场 变化磁场在闭合回路变化磁场在闭合回路 中产生的感生电流中产生的感生电流 感生电流所产生的磁场感生电流所产生的磁场 实际通过闭合回路的磁场实际通过闭合回路的磁场 i 导体 楞次定律楞次定律 u磁通不能突变磁通不能突变 in V out

3、V in I out I m Lk 应用应用: :通常变压器的电流决定于负载通常变压器的电流决定于负载 outoutout VPI/ lISNs outcores / sp跟据楞次定律跟据楞次定律, , lISNlISN outcoresincorep / in out s p I I n N N 可用作变压器的软磁材料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-Zn Ferrite): 镍锌铁氧体(Ni-Zn Ferrite): 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

4、开关电源变压器 （40KHz) 铁氧体材料的选择铁氧体材料的选择 选择磁性材料的关键点：选择磁性材料的关键点： ：磁心的饱和磁密：磁心的饱和磁密 ：磁心的损耗：磁心的损耗 ( (储能与放能之差储能与放能之差) ) B H Hdc Hdc=0Hdc 一三相限:Full bridge 一相限:forward DC Bias:flyback Bac Bac Bac Bm 磁损曲线 BH曲线 T y s x acmcv CfBCP单位体积磁损公式：单位体积磁损公式： 材料的损耗指标材料的损耗指标: :固定固定PcvPcv时的时的FxBFxB公式公式 x xy Tm cv fCC P BF /1 )(*

5、 不同铁氧体的使用频率不同铁氧体的使用频率 )(BfIANP pepthr Pcv=100 kw/m3 Pcv=300 kw/m3 Pcv=500 kw/m3 Ferroxcube 3C96 3F35 T=100 10000 40000 50000 2002000 f(kHz) f*B (HzT) 0 3F4 f .B: Material performance factor Pcv=100 kw/m3 Pcv=300 kw/m3 Pcv=500 kw/m3 N49 N97 01000 5000 50000 f*B(HzT) f(kHz) EPCOS 22000HzT 32000HzT 230

6、00HzT 35000HzT f .B: 表现一个材料在一个频率下所能通过的表现一个材料在一个频率下所能通过的B的能力的能力 A.频率提高频率提高, 磁能材料能够通过功率的能力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频率提高到一定程度,会有一个更好的高频材料来接替会有一个更好的高频材料来接替 磁心的选择磁心的选择 一般情况下 fs300KHz, Bmax取决磁损取决磁损 假设频率fs=400KHz, 取单位磁损为300mw/cc,材质N49, Bmax=32000HzT/400KHz=80mT fs在在150K至至300K之间时之间时, Bs和和Pcv都考虑都考虑,取其小值取

7、其小值. 假设频率fs=200KHz, 材料3C96,Pcv300mw/cc B1=0.5*80%*Bs=136mT;B2=28000HzT/200KHz=140mT, 取B1和B2中的小值作为Bmax=136mT 磁心的磁心的Bmax的选择方法的选择方法 不同特性的铁氧体材质不同特性的铁氧体材质 常规的低频材料常规的低频材料 飞磁的常规飞磁的常规,高饱高饱,低温和高温低频材料低温和高温低频材料 低温低温 高温高温 高饱高饱 常规常规3C96 常规的高频材料常规的高频材料 TDK低频宽温材料低频宽温材料PC95对比对比 选择磁心的形状选择磁心的形状 常用铁心形状常用铁心形状A EE EFD E

8、R,EC,ETD PQ RM 形状分形状分 类类 特点特点适用情况适用情况 EE,ER,E C,ETD 常规铁心常规铁心,价格低价格低 廉廉,窗口面积大窗口面积大, 大功率时易作安大功率时易作安 规规. 小功率的辅助电源，大小功率的辅助电源，大 功率电源，功率电源， 应用于功率密度较低的应用于功率密度较低的 场合场合 EFD平面化的平面化的EE类类 铁心铁心 应用情况同上，应用于应用情况同上，应用于 功率密度较低，且要求功率密度较低，且要求 Low Profile，表贴或，表贴或 沉降式结构沉降式结构 PQ,RM窗口面积较窗口面积较 类的小，而类的小，而Ae较较 类的大，类的大， 应用于高功率

9、密度的条应用于高功率密度的条 件件 也适于作输出电感或也适于作输出电感或 电感电感 窗口开口较小，不适合窗口开口较小，不适合 作很多路输出变压器作很多路输出变压器 选择磁心的形状选择磁心的形状 常用铁心形状常用铁心形状B EQ PJ Planar EE 形状分类形状分类特点特点适用情况适用情况 PJ Core的改进版，的改进版，Ae大窗口小，磁屏大窗口小，磁屏 蔽效果好；高度较矮蔽效果好；高度较矮 用于高功率密度且对高度有一定要求的变压器设计；不适用于高功率密度且对高度有一定要求的变压器设计；不适 合飞线，不适合使用合飞线，不适合使用Margin tape做安规做安规 EQ，的改进版，窗口条件

10、比，的改进版，窗口条件比PJ好，好， 高度和高度和Ae比好；磁屏蔽效果不如比好；磁屏蔽效果不如PJ Planar EE低高度，低高度，Ae大，窗口小；中柱长宽比大，大，窗口小；中柱长宽比大， 不适于绕线不适于绕线 应用于绕组等预制好的绕组的变压器和电感器应用于绕组等预制好的绕组的变压器和电感器 磁心的选择磁心的选择 磁性材料的选择依据磁性材料的选择依据 1.1.工作频率范围工作频率范围 2.2.饱和磁密大小饱和磁密大小 磁心形状的选择依据磁心形状的选择依据 1.1.功率密度功率密度的要求的要求 2.2.成品高度的限制成品高度的限制 3.3.绕组的多少绕组的多少 4.4.线包的引出线形式线包的引

11、出线形式 绕组的结构绕组的结构 Simple Sandwich Interleaving 漏漏 感感 减减 小小 交交 流流 损损 耗耗 减减 小小 隔隔 离离 结结 构构 复复 杂杂 常常 用用 导导 线线 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 常常 用用 导导 线线 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

12、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 高频交流损耗高频交流损耗 集肤效应(Skin effect): 邻近效应 (Proximity effect): 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

13、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使用工具估算绕组的损耗 Ansoft Maxwell 2D &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使用工具估算绕组的损耗 Dowell 1D model ( Magnetics Design tool) 通过1维分析

14、，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 漏漏磁通与磁通与漏漏感感 in V out V in I out I m Lk * n Lk Lm 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漏磁通存储的磁场能量 dV B dV B dV B E VwinairVcorecoreV 222 一般情况下， aircore 30001000 而与基本相当 core V

15、 win V 所以可以简略认为 dVHdV B E Vwin air Vwinair Lk 2 2 漏感与磁场漏感与磁场 漏漏感的估算感的估算 V kLk HILE 22 2 1 2 1 HmaxH=0 Hw w H iN H 减小减小Lk的方法的方法: 1.拉高窗口宽度或拉宽窗口宽度拉高窗口宽度或拉宽窗口宽度(如平面化如平面化) 2.减小每个磁回路的电流和减小每个磁回路的电流和(如三明治或如三明治或interleaving) 3.减小减小Hmax的区域体积的区域体积(如减小如减小P-S之间距离之间距离) 4.减少圈数减少圈数)( 2 NLk 而: 2 2 I H iN L V w k 故:

16、变压器的设计 开关电源的拓扑 变压器的设计变压器的设计 相关参数计算AP 选择铁心设计绕组评估变压器性能 APAP法介绍法介绍 APAP法法, , 即即 Area Product (Area Product (面积乘积面积乘积) )法的简写法的简写 in V out V in I out I m Lk 走磁通的面积Ae走电流的面积AwX=AP AP的计算公式的计算公式 AwAeAP sp fBN DV Ae max maxmin Ku J IN J IN Aw s srmss p prmsp (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双管正激变压器的设计 设计参数设计参数

17、 1最小直流输入电压最小直流输入电压Vmin (V)350用于直接计算一次侧的电流用于直接计算一次侧的电流(Iin,Ip), 原边电压原边电压(Vp), 计算变压器磁心损耗计算变压器磁心损耗Pc和交流磁通和交流磁通Bac 2输出电压输出电压 Vo (V)28用于计算功率用于计算功率, 实际占空比实际占空比, 3输出电流输出电流 Io (A)7用于计算功率用于计算功率,二次侧电流二次侧电流(Is),输出电感电流输出电感电流(ILo) 4输出二极管压降输出二极管压降 Vd (V)0.3用于计算功率用于计算功率 5工作效率工作效率 h h0.9用于计算输入功率用于计算输入功率(Pin), 一次侧电流

18、一次侧电流(Iin,Ip) 6开关频率开关频率 f (kHz)100用于选择磁性材料用于选择磁性材料,计算电流计算电流(Ip,Is,ILo) 7最大占空比最大占空比 Dmax0.4用于计算峰值电流用于计算峰值电流Ipk,交流磁通交流磁通Bac等等 8环境温度环境温度 Ta ()25限制磁心损耗和绕组电流密度限制磁心损耗和绕组电流密度 9允许温升允许温升 Tr ()75 1.从电路引入的设计参数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性元件的一些常规设计参数 1原边绕组允许电流密度原边绕组允许电流密度 Jp (A/cm2)600通常设计时通常设计时,绕组电流密度在绕组电流密度在40

19、0-600之间之间,功率较小或者散热条件较好功率较小或者散热条件较好,如有风如有风, PCB绕组等绕组等,可可 以升到以升到1000, 而对于一些特殊的绕组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如散热较差或频率太高可以考虑降低到300 2副边绕组允许电流密度副边绕组允许电流密度 Js (A/cm2)750 3窗口利用率窗口利用率 Ku0.2常用的铁氧体磁心常用的铁氧体磁心,变压器变压器Ku不超过不超过0.2, 单绕组电感单绕组电感,0.25, 环形电感尺寸从小到大可以选择不环形电感尺寸从小到大可以选择不 超过超过0.35到到0.45 磁心的选择磁心的选择 )( 1 .198

20、)(WIVVP odoo 1.计算最大输出功率计算最大输出功率 2.计算原边平均电流计算原边平均电流Iin )(629. 0/ min AVPoIinh 3.预计算原边电流脉冲预计算原边电流脉冲Ipk )(5722. 1/ max ADII inpk Ipk 原边电流波形原边电流波形 4.预计算原边电流有效值预计算原边电流有效值Iprms AADII pkprms 1)(9944. 0 max r ForwardForward变压器磁心中的回线变压器磁心中的回线 DB 磁心的选择磁心的选择 5.Bmax的选择的选择: )(8114 )1 ( 4 max maxmin mm KuJfB DVI

21、AwAeAP ps prms h 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 绕组的计算与选择绕组的计算与选择 3.通过一维计算确定导线的优化条件通过一维计算确定导线的优化条件 . 0.5 单层线 0.1x25c 单层线 0.9 单层线 9圈副边铜箔/4.5层 圈副边铜箔3.5层 一二次侧边界一二次侧边界 主层主层 次层 原边绕组主次共层原边绕组主次共层 副边绕组主次共层副边绕组主次共层 一二次侧边界一二次侧边界 主层主层 次层 内外原边绕组一个层个层内外原边绕组一

22、个层个层 中间副边绕组次层由主层平分到个组中间副边绕组次层由主层平分到个组 中，各有层中，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 绕组的计算与选择绕组的计算与选择 4.不同线组合的对比列表不同线组合的对比列表 . 线型线型导线层数，或铜箔绕组圈数导线层数，或铜箔绕组圈数Re/Rdc 0.1*25c51.1 0.1*25c101.4 0.511.54 0.523.35 0.912.56 0.927.11 0.4511.67 0.12铜箔铜箔1.36 0.15铜箔铜箔1.48 绕组的计

23、算与选择绕组的计算与选择 5.导线的选择与排布导线的选择与排布 . 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 组合组合 0.1x25c+0.9TIW,sandwich,0.1x25c+0.9TIW,sandwich,总厚度总厚度3.76mm3.76mm 组合组合2 2 0.5+0

24、.9TIW,sandwich,0.5+0.9TIW,sandwich,总厚度总厚度2.91mm2.91mm 铜箔绕组 对比0.9TIW,当铜箔绕组 超过3匝,即不合算 绕组的计算与选择绕组的计算与选择 6.线包结构线包结构 . Top Bottom P P绕组绕组1,24Ts,0.5,1,24Ts,0.5,实际厚度约实际厚度约0.5mm0.5mm P-SP-S绕组间绝缘和绕组间绝缘和ShieldingShielding共厚约共厚约0.42mm0.42mm S S绕组绕组 9 9圈圈 TIW 0.9TIW 0.9线线 除去绝缘实厚约除去绝缘实厚约0.9mm0.9mm P-SP-S绕组间绝缘和绕组

25、间绝缘和ShieldingShielding共厚约共厚约0.42mm0.42mm P P绕组绕组2,20Ts,0.1x25c, 2,20Ts,0.1x25c, 实际厚度约实际厚度约0.5mm0.5mm PQ2625 PQ2625 组合组合2 2 RM12/I RM12/I 组合组合1 1 Top Bottom P P绕组绕组1,21Ts,0.1x25c,1,21Ts,0.1x25c,实际厚度约实际厚度约0.65mm0.65mm P-SP-S绕组间绝缘和绕组间绝缘和ShieldingShielding共厚约共厚约0.42mm0.42mm S S绕组绕组 7 7圈圈 TIW 0.9TIW 0.9线

26、线 除去绝缘实厚约除去绝缘实厚约0.9mm0.9mm P-SP-S绕组间绝缘和绕组间绝缘和ShieldingShielding共厚约共厚约0.42mm0.42mm P P绕组绕组2,14Ts,0.1x25c, 2,14Ts,0.1x25c, 实际厚度约实际厚度约0.65mm0.65mm 绕组的计算与选择绕组的计算与选择 7. 导线损耗的计算导线损耗的计算 . 采用组合采用组合2 2方案方案 0.5+0.9TIW,sandwich,0.5+0.9TIW,sandwich,总厚度总厚度2.91mm2.91mm 原边直流电阻原边直流电阻 2875. 0/ AwpNpMLTRpdc 443. 054.

27、 1RpdcRpe 原边等效电阻原边等效电阻 副边直流电阻副边直流电阻 0182. 0/ AwsNsMLTRsdc 03. 064. 1RsdcRse 副边等效电阻副边等效电阻 绕组损耗绕组损耗 W RseIsrmsRpeIprmsPw 03. 1 22 铁心的加工铁心的加工 1.气隙的计算气隙的计算 . 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：较准确的气隙电感计算公式： mmlgap389. 0 气隙可以加工 铁心的参数计算铁心的参数计算 1.实际的交流磁通密度实际的交流磁通密度 . 2.铁心损耗的计算铁心损

28、耗的计算 . )(1308. 0 )2/( maxmin T AefNpDVB sac )(304. 1W fBCP y s x acmc 3.总损耗的计算总损耗的计算 . )(334. 2WPPP wcT 4.损耗比重损耗比重 . %18. 1/ oT PP 漏漏感的估算感的估算 PQ26/25 RM12/I 13.55 2.74 0.5x24T0.5x24T0.9x9T 0.9x9T0.5x20T0.5x20T 磁心对称轴磁心对称轴 7.1 0.420.42 0.420.42 H 24AT24AT -20AT-20AT uHLk93. 2 14 3.04 0.65x21T0.65x21T0

29、.9x7T 0.9x7T 0.65x14T0.65x14T 磁心对称轴磁心对称轴 7.3 0.420.42 0.420.42 H 21AT21AT -15AT-15AT uHLk04. 2 65)5( 56 2 2 542 33) 3( 34 21 1 321 21) 1( 12 1 )( xxxifxx xx H H xxxifH xxxifxx xx HH H xxxifH xxxifxx xx H xH H1 H2 x1 x2 x3 x4 x5 x6 xx H对x的函数 漏感能量与电感之间的关系：漏感能量与电感之间的关系： 22 0 2 1 )( 2 1 ILdVxHE k V winL

30、k win 计算出来的结果并不能代表实计算出来的结果并不能代表实 际的结果，但可以对比不同的际的结果，但可以对比不同的 绕组结构的漏感大小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 线包截面及相对尺寸线包截面及相对尺寸 反激变压器的设计反激变压器的设计 设计参数设计参数 1 最大直流输入电压最大直流输入电压 Vmax(V)334用于跟据各器件的电压应力计算用于跟据各器件的电压应力计算Duty的范围的范围 最小直流输入电压最小直流输入电压Vmin (V)108用于直接计算一次侧的电流用

31、于直接计算一次侧的电流(Iin,Ip), 原边电压原边电压(Vp), 计算变压器磁心损耗计算变压器磁心损耗Pc和交流磁通和交流磁通Bac 2输出电压输出电压 Vo (V)19.5用于计算功率用于计算功率, 实际占空比实际占空比, 3输出电流输出电流 Io (A)3.34用于计算功率用于计算功率,二次侧电流二次侧电流(Is),输出电感电流输出电感电流(ILo) 4输出二极管压降输出二极管压降 Vd (V)0.3用于计算功率用于计算功率 5工作效率工作效率 h h0.9用于计算输入功率用于计算输入功率(Pin), 一次侧电流一次侧电流(Iin,Ip) 6开关频率开关频率 f (kHz)65用于选择

32、磁性材料用于选择磁性材料,计算电流计算电流(Ip,Is,ILo) 7工作模式工作模式CCMCCM,DCM,DCMB 8纹波系数纹波系数Krp0.6Krp小则漏感的吸收损耗和交流损耗小，而小则漏感的吸收损耗和交流损耗小，而Krp大输出大输出Diode的恢复损耗小的恢复损耗小 8最大占空比最大占空比 Dmax0.45用于计算峰值电流用于计算峰值电流Ipk,交流磁通交流磁通Bac等等 9环境温度环境温度 Ta ()25限制磁心损耗和绕组电流密度限制磁心损耗和绕组电流密度 10允许温升允许温升 Tr ()75 1.从电路引入的设计参数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性元件的一些常

33、规设计参数 1原边绕组允许电流密度原边绕组允许电流密度 Jp (A/cm2)500通常设计时通常设计时,绕组电流密度在绕组电流密度在400-600之间之间,功率较小或者散热条件较好功率较小或者散热条件较好,如有风如有风, PCB绕组等绕组等,可可 以升到以升到1000, 而对于一些特殊的绕组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如散热较差或频率太高可以考虑降低到300 2副边绕组允许电流密度副边绕组允许电流密度 Js (A/cm2)500 3窗口利用率窗口利用率 Ku0.2常用的铁氧体磁心常用的铁氧体磁心,变压器变压器Ku不超过不超过0.2, 单绕组电感单绕组电感,0.25

34、, 环形电感尺寸从小到大可以选择不环形电感尺寸从小到大可以选择不 超过超过0.35到到0.45 FlybackFlyback的工作模式的工作模式 1.FLYBACK的工作原理的工作原理 * * Vin Lk Lm Tx ip,im CCM, C Continuous C Current M Mode,连续电流工作模式 DCM, D Discontinous C Current M Mode,断续电流工作模式 DCMB, DCMDCM B Boundary,临界断续电流工作模式 上述模式均指的是上述模式均指的是LmLm的工作状态的工作状态 im CCMCCM DCMDCM im DCMBDCMB

35、 用用APAP法选择磁心法选择磁心 1.AP的计算的计算 Ippk 原边电流波形原边电流波形Ispk 副边电流波形副边电流波形 )(13.65)(WIVVP odoo 2.计算原边平均电流计算原边平均电流Iin )(67. 0/ min AVPoIinh 3.预计算原边电流峰值预计算原边电流峰值Ipk )(291. 2)2/1/( max ADKrpII inpk 4.预计算原边电流有效值预计算原边电流有效值Iprms )(046. 1) 1 3 ( 2 max AKrp Krp DII pkprms 1.输出功率输出功率Po )(27.466) 2 1 (/( 2 uHf Krp KrpIP

36、oL spkp h 5.原边电感值原边电感值Lp 7.计算计算AP )(65.7947 2 max/max)1 (1 ( 4 mm BacKuJp LpKrpIppkIprmsDD AP 6.Bmax选择选择 跟据频率选择材料为跟据频率选择材料为3C96,3C96,再跟据再跟据BsBs选择选择 Bmax=Bac=0.1036Bmax=Bac=0.1036 铁心的选择铁心的选择 跟据跟据AP选择铁心选择铁心 铁心规格铁心规格AP PQ 20/162932.8 PQ 20/204117.8 PQ 26/207305.4 PQ 26/2510143 PQ 32/2013604.5 PQ 32/302

37、4899.7 PQ 35/3541800 铁心规格铁心规格AP RM10/I6168.9 RM12/I14962.1 RM14/I28828.8 RM4/I195.6 RM5/I414 RM6S/I888 RM7/I1389.2 RM8/I2874.7 跟据下表选择跟据下表选择PJ3018PJ3018 选择条件： 1.flyback 2.假设限高20mm 3.要求高功率密度 4. 无风 铁心规格铁心规格AP PJ30188784 PJ331913326 BBN for J3018BBN for J3018 圈数的计算与选择圈数的计算与选择 1. 圈比的计算圈比的计算 . 46. 4)1 ()/

38、( maxmaxmin DVVDVn do 2. 圈比的合理性圈比的合理性 . 2 .18 arg do inindsmds VV VVV n 12. 1 arg oindmmdm in VVV V n n=4.46n=4.46满足要求满足要求 3. 圈数的计算圈数的计算 . MosMos耐压耐压Vds=600V,Vds=600V,裕量裕量Vdsmargin=150VVdsmargin=150V DiodeDiode耐压耐压Vdm=150V,Vdm=150V,裕量裕量Vdmmargin=50VVdmmargin=50V 30)2/( maxmin BacAefDVNp s 77 . 6/nNp

39、Ns 回算： 3123.31nNsNp 取： 7 31 Ns Np 圈数的计算与选择圈数的计算与选择 3. 验算圈比和验算圈比和Duty Cycle . 42. 4/NsNpn 4. 计算气隙计算气隙 . 5. 铁心中磁通的计算铁心中磁通的计算 . 满足要求 448. 0)(min/()( max VdVonVVdVonD 满足要求 跟据 得到 mmlgap32. 0 可以加工 交流磁通)( 1 . 0)2/( maxmin TAefNpDVBac s 直流磁通)(186. 0 ) 2 1 ( T AeNp Ipk Krp Lp Bdc 最大磁通 BsTBdcBacB8 . 0)(286. 0

40、 max 满足要求 绕组的计算与选择绕组的计算与选择 1.计算导线截面积计算导线截面积 . 2 209. 0mm Jp Iprms Awp 2 026. 1mm Js Isrms Aws 前面已得出：前面已得出：Iprms=1.046A Jp=500A/cmIprms=1.046A Jp=500A/cm2 2 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导线类别和线包结构的初选 . 52. 0 4 Awp D 原边线径 单心线0.55mm,多股线0.1x30C 副边线径 15. 1 4 Aws D TIW 均小于1.0,取TIW0.8x2 线包结构：常规

41、变压器，原副原三明治结构 )(13. 5) 1 3 ()1 (/ 2 max AKrp Krp DII spksrms 绕组的计算与选择绕组的计算与选择 3.在在design tool中计算中计算Re/Rdc . 线型线型导线层数，或铜箔绕组圈数导线层数，或铜箔绕组圈数Re/Rdc 0.1*30c5.51.05 0.1*30c111.2 0.811.68 0.823.86 4.导线的排布导线的排布 . P P绕组绕组1,14Ts,0.1x30c,1,14Ts,0.1x30c,实际厚度约实际厚度约0.75mm0.75mm P-SP-S绕组间绝缘和绕组间绝缘和ShieldingShielding共

42、厚约共厚约0.42mm0.42mm S S绕组绕组 7 7圈圈 TIW 0.8x2TIW 0.8x2线线 2 2层层 除去绝缘实除去绝缘实 厚约厚约1.9mm1.9mm P-SP-S绕组间绝缘和绕组间绝缘和ShieldingShielding共厚约共厚约0.42mm0.42mm P P绕组绕组2,17Ts,0.1x26c, 2,17Ts,0.1x26c, 实际厚度约实际厚度约0.75mm0.75mm 其中内层其中内层1313圈圈, ,外层外层4 4圈圈, ,占用占用1.5mm1.5mm 线包总厚度线包总厚度:5.1mm BBN:5.1mm BBN壁与壁与Core Core 之间之间5.35mm

43、5.35mm 绕组的计算与选择绕组的计算与选择 5.绕组损耗的计算绕组损耗的计算 . 0.1x30C+0.8TIWx2,sandwich,0.1x30C+0.8TIWx2,sandwich,总厚度总厚度2.91mm2.91mm 原边直流电阻原边直流电阻 1739. 0/ AwpNpMLTRpdc 183. 005. 1RpdcRpe 原边等效电阻原边等效电阻 副边直流电阻副边直流电阻 0092. 0/ AwsNsMLTRsdc 0155 . 0 68 . 1 RsdcRse 副边等效电阻副边等效电阻 绕组损耗绕组损耗, ,考虑到气隙的扩散效应造成的损耗，考虑到气隙的扩散效应造成的损耗，PwPw

44、估测损耗增加估测损耗增加30%30% W RseIsrmsRpeIprmsPw 79. 0 )(3 . 1 22 变压器的其它性能参数变压器的其它性能参数 .铁心损耗铁心损耗 . )(147. 0WfBCP y s x acmc 2.变压器总损耗耗变压器总损耗耗 . )(937. 0WPPP wcT 3.变压器损耗比重变压器损耗比重 . %44. 1/ oT PP 变压器的其它性能参数变压器的其它性能参数 4.漏感的估算漏感的估算 . 65)5( 56 2 2 542 33) 3( 34 21 1 321 21) 1( 12 1 )( xxxifxx xx H H xxxifH xxxifxx

45、 xx HH H xxxifH xxxifxx xx H xH H对x的函数 漏感能量与电感之间的关系：漏感能量与电感之间的关系： 22 0 2 1 )( 2 1 ILdVxHE k V winLk win 计算出来的结果并不能代表实计算出来的结果并不能代表实 际的结果，但可以对比不同的际的结果，但可以对比不同的 绕组结构的漏感大小绕组结构的漏感大小 10.7 4.49 0.75x14T0.75x14T0.8x7T 0.8x7T 0.75x17T0.75x17T 磁心对称轴磁心对称轴 7 0.420.42 0.420.42 H 14AT14AT -17AT-17AT uHLk39. 2 x 线

46、包截面及相对尺寸线包截面及相对尺寸 FlybackFlyback辅助绕组的电压调整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 Good couple Bad couple 全桥变压器的设

47、计全桥变压器的设计 设计参数设计参数 1最小直流输入电压最小直流输入电压Vmin (V)390用于直接计算一次侧的电流用于直接计算一次侧的电流(Iin,Ip), 原边电压原边电压(Vp), 计算变压器磁心损耗计算变压器磁心损耗Pc和交流磁通和交流磁通Bac 2输出电压输出电压 Vo (V)12用于计算功率用于计算功率, 实际占空比实际占空比, 3输出电流输出电流 Io (A)50用于计算功率用于计算功率,二次侧电流二次侧电流(Is),输出电感电流输出电感电流(ILo) 4输出二极管压降输出二极管压降 Vd (V)0.3用于计算功率用于计算功率 5工作效率工作效率 h h0.95用于计算输入功率

48、用于计算输入功率(Pin), 一次侧电流一次侧电流(Iin,Ip) 6开关频率开关频率 f (kHz)100用于选择磁性材料用于选择磁性材料,计算电流计算电流(Ip,Is,ILo) 9环境温度环境温度 Ta ()25限制磁心损耗和绕组电流密度限制磁心损耗和绕组电流密度 10允许温升允许温升 Tr ()75 1.从电路引入的设计参数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性元件的一些常规设计参数 1原边绕组允许电流密度原边绕组允许电流密度 Jp (A/cm2)600通常设计时通常设计时,绕组电流密度在绕组电流密度在400-600之间之间,功率较小或者散热条件较好功率较小或者散热条件

49、较好,如有风如有风, PCB绕组等绕组等,可可 以升到以升到1000, 而对于一些特殊的绕组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如散热较差或频率太高可以考虑降低到300 2副边绕组允许电流密度副边绕组允许电流密度 Js (A/cm2)800 3窗口利用率窗口利用率 Ku0.2常用的铁氧体磁心常用的铁氧体磁心,变压器变压器Ku不超过不超过0.2, 单绕组电感单绕组电感,0.25, 环形电感尺寸从小到大可以选择不环形电感尺寸从小到大可以选择不 超过超过0.35到到0.45 用用APAP法选择磁心法选择磁心 1.AP的计算的计算 Ipk 原边电流波形原边电流波形 )(615)(

50、WIVVP odoo 2.计算原边平均电流计算原边平均电流Iin )(66. 1/ min AVPoIinh 3.预计算原边电流脉冲预计算原边电流脉冲Ipk )(69. 3/ max ADII inpk 4.预计算原边电流有效值预计算原边电流有效值Iprms )(5 . 2 max ADII pkprms 1.输出功率输出功率Po 6.计算计算AP 5.Bmax选择选择 跟据频率选择材料为跟据频率选择材料为DMR44,DMR44,全桥磁心在全桥磁心在1-31-3相相 限工作，限工作， 跟据跟据BsBs选择选择Bmax=Bac=0.2017Bmax=Bac=0.2017 )(17500 )1 (

51、 4 max maxmin mm KuJfB DVI AwAeAP ps prms h 铁心的选择铁心的选择 跟据跟据AP选择铁心选择铁心 铁心规格铁心规格AP PQ 20/162932.8 PQ 20/204117.8 PQ 26/207305.4 PQ 26/2510143 PQ 32/2013604.5 PQ 32/3024899.7 PQ 35/3541800 铁心规格铁心规格AP RM10/I6168.9 RM12/I14962.1 RM14/I28828.8 RM4/I195.6 RM5/I414 RM6S/I888 RM7/I1389.2 RM8/I2874.7 跟据下表选择跟据

52、下表选择PQ3230PQ3230 选择条件： 1.全桥 2.假设限高35mm 3.要求高功率密度 4. 有风 铁心规格铁心规格AP PJ30188784 PJ331913326 PQ3230PQ3230BBNBBN绕线空间绕线空间 圈数的计算与选择圈数的计算与选择 . 圈数的计算圈数的计算 . 2605.26)2/( maxmin BacAefDVNp s 1913. 0 2 21 maxmin DV VV NpNsNs do 285 .28 2 maxmin do VV DV NsNp 复算Np 圈数的计算与选择圈数的计算与选择 2.原边无气隙电感的计算原边无气隙电感的计算 . MPL=71

53、.8mm mH MPL NpAe Lp i 499. 5 0 2 Ae=149mm2, Bac=200mT 3.变压器的变比变压器的变比 . 4.实际最大占空比实际最大占空比 . 28/NsNpn 45. 0442. 0 2 min max o do VV VV NpD D最大值满足要求 绕组的计算与选择绕组的计算与选择 1.计算导线截面积计算导线截面积 . 2 416. 0mm Jp Iprms Awp 2 153. 4mm Js Isrms Aws 前面已得出：前面已得出：Iprms=4.99A Jp=600A/cmIprms=4.99A Jp=600A/cm2 2 对于全桥电路，副边电流

54、 前面给定Js=600A/cm2 2.导线类别和线包结构的初选导线类别和线包结构的初选 . 72. 0 4 Awp D 原边线径 单心线单心线0.8mm,0.8mm,多股线多股线0.1x50C0.1x50C 副边线径 3 . 2 4 Aws D 线径过粗线径过粗, ,选用铜箔选用铜箔0.1x16,0.1x16,常规绕法常规绕法 )(28.33 max ADII osrms 绕组的计算与选择绕组的计算与选择 3.在在design tool中计算中计算Re/Rdc . 线型线型导线层数，或铜箔绕组圈数导线层数，或铜箔绕组圈数Re/Rdc 0.1*100c101.157 0.1*200c84.55

55、0.812.74 0.2铜箔铜箔11.81 0.6铜箔铜箔15.44 厚度大于0.2mm的铜箔,损 耗基本相同 绕组的计算与选择绕组的计算与选择 4.导线的排布导线的排布 . P P绕组绕组1,14Ts,0.1x50c,1,14Ts,0.1x50c,实际厚度约实际厚度约0.95mm0.95mm P-SP-S绕组间绝缘和绕组间绝缘和ShieldingShielding共厚约共厚约0.42mm0.42mm S1 S1 和和S2S2各各1 1圈圈 0.2x160.2x16铜箔铜箔, ,实厚实厚0.70.7 P-SP-S绕组间绝缘和绕组间绝缘和ShieldingShielding共厚约共厚约0.42m

56、m0.42mm P P绕组绕组2,14Ts,0.1x50c, 2,14Ts,0.1x50c, 实际厚度约实际厚度约095mm095mm 常规结构常规结构 绕组的计算与选择绕组的计算与选择 5.绕组损耗的计算绕组损耗的计算 . 0.1x50C+0.2X16 copper,sandwich,0.1x50C+0.2X16 copper,sandwich,总厚度总厚度2.91mm2.91mm 原边直流电阻原边直流电阻 108. 0/ AwpNpMLTRpdc 125. 0157. 1RpdcRpe 原边等效电阻原边等效电阻 副边直流电阻副边直流电阻 00047. 0/ AwsNsMLTRsdc 00084. 081. 1RsdcRse 副边等效电阻副边等效电阻 W RseIsrmsRpeIprmsPw 646. 2 2 22 绕组