变压器设计与材料选择课件

1、变压器设计与材料选择目 录变压器的结构和组成双管正激变压器的设计范例反激变压器的设计范例全桥变压器的设计范例变压器的结构和组成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变压器的基本原理磁路与电路的对比:类比iRV+-FRmNI +-Magnetic circuit,磁路Electric circuit,电路磁路电路磁动势,Magnetomotive force, F,MMF电动势,Voltage, E磁通,Flux, 电流,Current, I磁通密度,Flux density, B电流密度,Current density, J磁阻,Magneto-resistance, R

2、m电阻,Resistance, R安培环路定律欧姆定律磁阻电阻磁导率电导率变压器的基本原理磁路与电路的对比:电路的串并联关系在磁路上成立磁路电路串并联关系变压器的基本原理磁路与电路的对比:磁路的基尔霍夫定律基尔霍夫定律Kirchhoff laws 磁路电路磁路中任一节点,在任一瞬间流出该节点的磁通的代数和恒为零KCL:任一集总参数电路(Lumped circuit)中的任一节点，在任一瞬间流出该节点的所有电流的代数和恒为零 KVL:任一集总参数电路中的任一回路点，在任一瞬间沿此回路的各段电压的代数和恒为零 磁路中任一回路,在任一瞬间此回路的各段磁动势的代数和恒为零+-+-回路1回路1节点1节点

3、1节点1:回路1:节点1:回路1:变压器的基本原理磁路与电路的对比:磁通连续性定理描述：表征磁场基本性质的一个定理。它指出，由任一闭合面穿出的净磁通等于零，即穿出的磁通等于穿入的磁通，而其代数和为零（这个定律应用于磁路上就是KCL的磁路定理） 基本理论：磁场中任何一条B线(磁感应强度，即磁通密度)都是连续且闭合的空间任何一点，进去多少B就得出来多少B因为磁通不能被截断，所以磁通在时间上也只能连续变化而不能突变BB变压器的基本原理磁路与电路的对比:导磁材料（磁性材料）的特点1.有顺磁性的基本元素少,只有铁钴镍，（而纯金属基本都可以导电）2存在居里温度，高温会使磁性材料失去导磁性；(导体在低温下会

4、出现超导现像）3.存在磁滞现像，即H上升时对应该的B曲线与H下降时的不同，但2条曲线是合起来可以形成一个闭合回路（而电阻中电压与电流的关系是线性的）4.由于磁滞现像，磁性材料的磁场中，一个储能放能周期中，储能将大于放能，形成磁滞损耗：此损耗为周期性的而非线性的5.由于形成磁滞现像要有周期性变化的磁场，因此恒定磁场的磁性材料没有磁滞损耗（只有Bdc时磁材料不会有损耗，而Idc在电阻中照样有损耗）6.磁性材料有饱合特性，增大到一定值后磁性材料将失去导磁性，B将线性增加变压器的基本原理磁路与电路的对比:磁性元件设计中要注意的1.磁材料会饱合，所以设计的和不可能无限制的大，2.由于磁通连续，因此励磁之

5、后必需有退磁过程3.由于磁滞现像和磁滞损耗的存在，磁损没有理论上的计算公式，而只有跟据理论和实测数据拟合出的经验计算公式变压器的基本原理2.磁性材料的使用限制导体的特性不同1.温度特性: a.温度上升导磁率上升b.温度升到居里温度导磁率会突然降为不良导体 2.导磁特性非线性态,有B-H回路有剩磁Br和校顽力Hc即:mmf=Hl=/=R*fib.有饱合性,即当H上升到一定程度时,fi将不再增加3.损耗特性由于有磁回路,恒定磁场P=0交变磁场,P=/=mmf*fi1.温度特性: a.温度下降导电率上升b.温度降到特定温度时电阻率会突然降为零,成为超导体2.导电特性线性导电,即:V=R*I3.损耗特

6、性P=V*I存在当H=0时fi=/=0及当fi=0是H=/=0变压器的设计输入变压器设计需求跟据功率，频率，一二次侧电流计算值跟据值选和实际需求选择铁心和材质Lp,Ls,Lk,n,f,Np,Ns,电压,容量,外形等等跟据铁心和其它参数计算各绕组圈数，并复算各参数合理性跟据电流计算各绕组的选线，并计算绕组损耗跟据设计结果复算各参数AP给了选取铁心大小的参考;具体型号要跟据实际的外形限制来选取跟据铁心,B的要求等等计算Np和Ns,并计算气隙等.需要判断B值的合理性和气隙的可加工性跟据不同的需求选择绕组的线型.并计算此选择的绕组损耗.绕组损耗应该考虑交流损耗.粗算时可跟据频率将直流损耗乘个系数(1)

7、代替.精算时可以用designtool软件计算损耗系数.计算实际的Ku,有条件可以推导绕组的排布计算Pc和Pw,Pc和Pw的差踞如果超过5倍,应评估是否可以进一步优化计算其它参数是否付合设计需求双管正激变压器的设计设计参数1最小直流输入电压Vmin (V)350用于直接计算一次侧的电流(Iin,Ip), 原边电压(Vp), 计算变压器磁心损耗Pc和交流磁通Bac2输出电压 Vo (V)28用于计算功率, 实际占空比, 3输出电流 Io (A)7用于计算功率,二次侧电流(Is),输出电感电流(ILo)4输出二极管压降 Vd (V)0.3用于计算功率5工作效率 h0.9用于计算输入功率(Pin),

8、 一次侧电流(Iin,Ip)6开关频率 f (kHz)100用于选择磁性材料,计算电流(Ip,Is,ILo)7最大占空比 Dmax0.4用于计算峰值电流Ipk,交流磁通Bac等8环境温度 Ta ()25限制磁心损耗和绕组电流密度9允许温升 Tr ()751.从电路引入的设计参数2.磁性元件的一些常规设计参数1原边绕组允许电流密度 Jp (A/cm2)600通常设计时,绕组电流密度在400-600之间,功率较小或者散热条件较好,如有风, PCB绕组等,可以升到1000, 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3002副边绕组允许电流密度 Js (A/cm2)7503窗口利用率

9、 Ku0.2常用的铁氧体磁心,变压器Ku不超过0.2, 单绕组电感,0.25, 环形电感尺寸从小到大可以选择不超过0.35到0.45用AP法选择磁心1.AP, 即 Area Product (面积乘积)走磁通的面积Ae走电流的面积AwX=AP2.AP的计算公式上式中Bmax要作进一步的计算选择磁心的选择3.磁心材料的选择a.跟据工作频率初选Pcv=100 kw/m3Pcv=300 kw/m3Pcv=500 kw/m3Ferroxcube3C963F35T=1001000040000500002002000f(kHz)f*B (HzT)03F4f .B: Material performance

10、 factorPcv=100 kw/m3Pcv=300 kw/m3Pcv=500 kw/m3N49N9701000500050000f*B(HzT)f(kHz)EPCOS22000HzT32000HzT23000HzT35000HzTf .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b.跟据具体要求确定所选材料: 工作温度, 成本, 是否容易采购, 是否容易获得样品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对比磁

11、心的选择c.计算AP值1.计算最大输出功率2.计算原边平均电流Iin3.预计算原边电流脉冲IpkIpk原边电流波形4.预计算原边电流有效值Iprms磁心的选择c.计算AP值(续上页)5.Bmax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,Pcv10mm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

12、低损耗时可以考虑采用interleaving结构绕组的计算与选择 4.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 5.不同线组合的对比列表 . 线型导线层数，或铜箔绕组圈数Re/Rdc0.1*25c51.10.1*25c101.

13、40.511.540.523.350.912.560.927.110.4511.670.12铜箔1.360.15铜箔1.48绕组的计算与选择PQ26/25 RM12/I 6.导线的选择与排布 . 13.554.10.1x25c,线径约0.65mm每层可布20圈，共布2层余4圈总厚0.65x3=1.95mm0.5,线径约0.55mm每层可布24圈，共布2层少4圈总厚1.1mm0.9TIW,线径约1.15mm每层可布11圈，一层布完总厚1.15mm0.12铜箔9层,每层外带6层胶带合计0.48mm总厚度0.48x9=4.32mm4.1无法使用组合0.1x25c+0.9TIW,sandwich,总厚

14、度3.76mm组合20.5+0.9TIW,sandwich,总厚度2.91mm145.20.1x25c,线径约0.65mm每层可布21圈，共布2层少7圈总厚0.65x2=1.3mm0.5,线径约0.55mm每层可布25圈，共布2层少15圈总厚1.1mm0.9TIW,线径约1.15mm每层可布12圈，一层布完总厚1.15mm0.15铜箔7层,每层外带6层胶带合计0.51mm总厚度0.51x7=3.57mm组合0.1x25c+0.9TIW,sandwich,总厚度3.11mm组合20.5+0.9TIW,sandwich,总厚度2.91mm组合30.1x25c+0.15铜,sandwich,总厚度5

15、.53mm组合40.5+0.15铜,sandwich,总厚度5.33mm绕组的计算与选择 7.线包结构 . TopBottomP绕组1,24Ts,0.5,实际厚度约0.5mmP-S绕组间绝缘和Shielding共厚约0.42mmS绕组 9圈 TIW 0.9线 除去绝缘实厚约0.9mmP-S绕组间绝缘和Shielding共厚约0.42mmP绕组2,20Ts,0.1x25c, 实际厚度约0.5mmPQ2625 组合2RM12/I 组合1TopBottomP绕组1,21Ts,0.1x25c,实际厚度约0.65mmP-S绕组间绝缘和Shielding共厚约0.42mmS绕组 7圈 TIW 0.9线 除

16、去绝缘实厚约0.9mmP-S绕组间绝缘和Shielding共厚约0.42mmP绕组2,14Ts,0.1x25c, 实际厚度约0.65mm绕组的计算与选择PQ26/25 RM12/I 8. 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采用组合1方案0.1x25c+0.9TIW,sandwich,总厚度3.11mm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PQ26/25 RM12/I 1.气隙的计算 . 对于正激变压器，电子工程师需要给出一个电感值，以使电路不至于进入谐振

17、磁复位状态，例如，Lp=800uH较准确的气隙电感计算公式：两种铁心的气隙都可以加工，RM12/I铁心气隙较小，加工误差略大，但对于绕组的fringing loss却有好处铁心的参数计算PQ26/25 RM12/I 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*nLkLm认知：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a.磁通的磁场能量一般情况下，而与基本相当所以可以简略认为1.漏感与磁场漏感的估算HmaxH=0Hw减小Lk的方法:1.拉高窗口宽度或拉宽窗口宽度

18、(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2.影响漏感的因素漏感的估算PQ26/25 RM12/I13.552.740.5x24T0.9x9T0.5x20T磁心对称轴7.10.420.42H24AT-20AT143.040.65x21T0.9x7T0.65x14T磁心对称轴7.30.420.42H21AT-15ATH1H2x1 x2 x3 x4 x5 x6xxH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

19、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最小直流输入电压Vmin (V)108用于直接计算一次侧的电流(Iin,Ip), 原边电压(Vp), 计算变压器磁心损耗Pc和交流磁通Bac2输出电压 Vo (V)19.5用于计算功率, 实际占空比, 3输出电流 Io (A)3.34用于计算功率,二次侧电流(Is),输出电感电流(ILo)4输出二极管压降 Vd (V)0.3用于计算功率5工作效率 h0.9用于计算输入功率(Pin), 一次侧电流(Iin,Ip)6开关频率 f (kHz)65用于选择磁性材料,计算电流(Ip,Is,ILo)7工作模式CCMCCM,DCM,

20、DCMB8纹波系数Krp0.9Krp小则漏感的吸收损耗和交流损耗小，而Krp大输出Diode的恢复损耗小8最大占空比 Dmax0.45用于计算峰值电流Ipk,交流磁通Bac等9环境温度 Ta ()25限制磁心损耗和绕组电流密度10允许温升 Tr ()751.从电路引入的设计参数2.磁性元件的一些常规设计参数1原边绕组允许电流密度 Jp (A/cm2)500通常设计时,绕组电流密度在400-600之间,功率较小或者散热条件较好,如有风, PCB绕组等,可以升到1000, 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3002副边绕组允许电流密度 Js (A/cm2)5003窗口利用率

21、 Ku0.2常用的铁氧体磁心,变压器Ku不超过0.2, 单绕组电感,0.25, 环形电感尺寸从小到大可以选择不超过0.35到0.45Flyback的工作模式1.FLYBACK的工作原理*VinLkLmTxip,imCCM, Continuous Current Mode,连续电流工作模式DCM, Discontinous Current Mode,断续电流工作模式DCMB, DCM Boundary,临界断续电流工作模式上述模式均指的是Lm的工作状态imCCMDCMimDCMB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Iin3.预计算原边电流峰值

22、Ipk4.预计算原边电流有效值Iprms1.输出功率Po5.原边电感值Lp7.计算AP6.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选择铁心铁心规格APPQ 20/162932.8PQ 20/204117.8PQ 26/207305.4PQ 26/2510143PQ 32/2013604.5PQ 32/3024899.7PQ 35/3541800铁心规格APRM10/I6168.9RM12/I14962.1RM14/I28828.8RM4/I195.6RM5/I414RM6S/I888RM7/I1389.2RM8/I2874.7跟据下

23、表选择PJ3018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APPJ30188784PJ331913326BBN for J3018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=150VDiode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Duty Cycle . 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

24、计算与选择 1.计算导线截面积 . 前面已得出：Iprms=1.046A Jp=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design tool中计算Re/Rdc . 线型导线层数，或铜箔绕组圈数Re/Rdc0.1*30c5.51.050.1*30c111.20.811.680.823.86 4.导线的排布 . P绕组1,14Ts,0.1x30c,实际厚度约0.75mmP-S绕

25、组间绝缘和Shielding共厚约0.42mmS绕组 7圈 TIW 0.8x2线 2层 除去绝缘实厚约1.9mmP-S绕组间绝缘和Shielding共厚约0.42mmP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:5.1mm BBN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

26、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10.74.490.75x14T0.8x7T0.75x17T磁心对称轴70.420.42H14AT-17ATx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(

27、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)AuxSecPriGood coupleBad couple全桥变压器的设计设计参数1最小直流输入电压Vmin (V)390用于直接计算一次侧的电流(Iin,Ip), 原边电压(Vp), 计算变压器磁心损耗Pc和交流磁通Bac2输出电压 Vo (V)12用于计算功率, 实际占空比, 3输出电流 Io (A)50用于计算功率,二次侧电流(Is),输出电感电流(ILo)4输出二极管压降 Vd (V)0.3用于计算功率5工作效率 h0.95用于计算输入功率(Pin), 一

28、次侧电流(Iin,Ip)6开关频率 f (kHz)100用于选择磁性材料,计算电流(Ip,Is,ILo)9环境温度 Ta ()25限制磁心损耗和绕组电流密度10允许温升 Tr ()751.从电路引入的设计参数2.磁性元件的一些常规设计参数1原边绕组允许电流密度 Jp (A/cm2)600通常设计时,绕组电流密度在400-600之间,功率较小或者散热条件较好,如有风, PCB绕组等,可以升到1000, 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3002副边绕组允许电流密度 Js (A/cm2)8003窗口利用率 Ku0.2常用的铁氧体磁心,变压器Ku不超过0.2, 单绕组电感,0

29、.25, 环形电感尺寸从小到大可以选择不超过0.35到0.45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Iin3.预计算原边电流脉冲Ipk4.预计算原边电流有效值Iprms1.输出功率Po6.计算AP5.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选择铁心铁心规格APPQ 20/162932.8PQ 20/204117.8PQ 26/207305.4PQ 26/2510143PQ 32/2013604.5PQ 32/3024899.7PQ 35/3541800铁心规格APRM10/I6

30、168.9RM12/I14962.1RM14/I28828.8RM4/I195.6RM5/I414RM6S/I888RM7/I1389.2RM8/I2874.7跟据下表选择PQ3230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APPJ30188784PJ331913326PQ3230BBN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=71.8mmAe=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

31、面已得出：Iprms=4.99A Jp=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,常规绕法或者0.6x5 3组 interleaving结构绕组的计算与选择 3.在design tool中计算Re/Rdc . 线型导线层数，或铜箔绕组圈数Re/Rdc0.1*100c101.1570.1*200c84.550.812.740.2铜箔11.810.6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 4.导线的排布 . P绕组1,14Ts,0.1x50c,实际厚度约0.95mmP-S绕组间绝缘和Shielding共厚约0.42mmS1 和S2各1圈 0.2x16铜箔,实厚0.7P-S绕组间绝缘和Shielding共厚约0.42mmP绕组2,14Ts,0.1x50c, 实际厚度约095mm常规结构层叠交错结构P绕组4组,每组圈TIW0.8,实际厚度约1.0mmS1 和S2各1圈 每个各由片 0.6x5冲压铜片组成，分组，每组各由片和一片构成铜箔,实厚0.mm约18mm绕组的计算与选择 5.绕组损耗的计算 . 0.