电源变压器基础与设计课件

1、 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

2、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)BHHdcHdc=0Hdc一三相限:Full bridge一相限:forwardDC Bias:flybackBacBacBacBm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Pcv=100 kw/

3、m3Pcv=300 kw/m3Pcv=500 kw/m3Ferroxcube3C963F35T=1001000040000500002002000f(kHz)f*B (HzT)03F4f .B: Material performance 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

4、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T

5、DK低频宽温材料PC95对比选择磁心的形状常用铁心形状AEEEFDER,EC,ETDPQRM形状分类特点适用情况EE,ER,EC,ETD常规铁心,价格低廉,窗口面积大,大功率时易作安规.小功率的辅助电源，大功率电源，应用于功率密度较低的场合EFD平面化的EE类铁心应用情况同上，应用于功率密度较低，且要求Low Profile，表贴或沉降式结构PQ,RM窗口面积较类的小，而Ae较类的大，应用于高功率密度的条件也适于作输出电感或电感窗口开口较小，不适合作很多路输出变压器选择磁心的形状常用铁心形状BEQPJPlanar EE形状分类特点适用情况PJ Core的改进版，Ae大窗口小，磁屏蔽效果好；高度

6、较矮用于高功率密度且对高度有一定要求的变压器设计；不适合飞线，不适合使用Margin tape做安规EQ，的改进版，窗口条件比PJ好，高度和Ae比好；磁屏蔽效果不如PJPlanar EE低高度，Ae大，窗口小；中柱长宽比大，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SimpleSandwich 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

7、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(Skin effect):邻近效应(Proximity effect):主电流主电流在导体

8、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.Jx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Jx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Ansoft Maxwell 2D &3D通过维和维分析，推算变压器的损耗和漏感优

9、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 Dowell 1D model ( Magnetics Design tool)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/RdcLitz线的简化漏磁通与漏感*nLkLm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HmaxH=0Hw减小Lk的方法:1.拉高窗口宽

10、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 Area Product (面积乘积)法的简写走磁通的面积Ae走电流的面积AwX=APAP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

11、(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), 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

12、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 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磁心的选择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IprmsrForward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

13、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 . 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 4.不同线组合的对比列表 . 线型导线层数

14、，或铜箔绕组圈数Re/Rdc0.1*25c51.10.1*25c101.40.511.540.523.350.912.560.927.110.4511.670.12铜箔1.360.15铜箔1.48绕组的计算与选择 5.导线的选择与排布 . BBN的绕线空间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1.1mm副边绕组: 0.9TIW,线径约1.15mm每层可布11圈，一层布完,总厚1.15mm0.12mm铜箔,每层外带6层胶带合计0.48mm组合0.1x25c+0.9T

15、IW,sandwich,总厚度3.76mm组合20.5+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 . 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0.65mm

16、P-S绕组间绝缘和Shielding共厚约0.42mmS绕组 7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2,14Ts,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

17、. 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最大直流输入

18、电压 Vmax(V)334用于跟据各器件的电压应力计算Duty的范围最小直流输入电压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,DCMB

19、8纹波系数Krp0.6Krp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 Ku0

20、.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Ipk4

21、.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跟据下表选择P

22、J3018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计算与选

23、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绕组间绝缘

24、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.变压器总损耗耗

25、. 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(主要因素

26、)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), 一次侧电流

27、(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,0.25,

28、 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/I6168.

29、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*200c84.5