直流滤波电感设计.ppt

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1、开关电源中的磁芯元件,南京航空航天大学,周洁敏,J,专题1 磁的基本概念,专题4 开关电源中常见的磁性材料,专题6 变压器损耗及热设计,专题3 开关电源中磁性材料的基本参数,专题2 电路中的磁元件,专题5 变压器中的分布参数及线圈,专题10 高频变压器设计,专题11 高频变压器设计实例,专题9 反激变压器电感设计举例,专题8 直流滤波电感设计,专题7 磁芯的工作状态,电感设计,开关电源中的直流输出滤波电感或能量传递电感一般是在带气隙的铁芯上绕线圈构成的，设计电感的任务就是在满足给定性能指标的情况下，确定最好的铁芯结构、最小的几何尺寸、恰当的绕组匝数、导线截面积和气隙长度等。,限制参数,（1）直

2、流平均电流,（2）纹波电流,（3）直流铜耗,确保电感器流过峰值电流时不饱和,拓扑决定电路参数,工作频率决定磁芯,最大磁密和最大磁通摆幅,粗选磁芯形状和尺寸,决定损耗限制,计算匝数,计算气隙长度,计算导体尺寸和线圈电阻,计算线圈损耗，总损耗和温升,电感设计步骤,根据拓扑决定电路设计参数,1、电感量L由纹波决定；2、满载直流电感电流的平均值决定磁芯的直流工作点；3、最大纹波电流的要求就是电感量的要求；4、最大峰值短路限制电流ISP，限制了最大磁密；5、最大允许损耗和温升就是损耗计算，主要是直流损耗，交流损耗较小。,电感设计前的知识准备,磁环：Toroid core,铁粉芯材料，颜色表示不同的牌号,

3、硅钢silicon steel,适合做电感的磁芯,铁氧体 ferrite,铁粉芯 iron powder,铁硅铝FeSiAl Kool Mu，sendust,高通磁粉芯High Flux,MPP铁镍钼磁粉芯,坡莫合金permalloy,非晶合金amorphous,磁粉芯,开气隙的磁芯,电感不同于变压器，要储存能量，开气隙和用磁粉芯的目的就是可以储存足够的能量。,设计流程图,举例输出滤波电感,【例题1】,电流连续输出滤波电感设计,（1）设计参数：5V/50A正激变换器的输出滤波电感。,滤波电感电压范围：13.35-25.33V,输出：5V,满载电流I0：50A,电路拓扑：正激变换器,开关频率f:

4、200kHz,最大占空度：0.405（Uimin）,电感量L=2.2微亨,最大损耗：2.5W,最大温升：40,冷却方式：自然对流,最小占空度：0.213（Uimax）,最大纹波电流：50*20%=10A,最大峰值电流ISP=65A,（2）应用制造厂手册选择磁芯材料,磁芯材料：如：铁氧体3C90,国内外生产磁性元件的厂家,PHILIPS,TDK,SONY,南京精研磁性科技有限公司,浙江海宁天通公司,SIMENS,南京898厂,金宁无线电器材厂,MICROMENTALS,MAGNETICS,PHILIPS 铁氧体3C90 MnZn铁氧体,材料特性,典型B/H曲线,初始磁导率随温度变化曲线,幅值磁导

5、率随峰值磁密变化曲线,增量磁导率,影响因素:直流磁场的大小,磁心的几何尺寸、形状、温度。,增量磁导率随磁场强度的变化曲线,（3）决定磁芯最大磁通密度和最大磁通摆幅,Bmax=3000Gs=0.3T,最大磁通幅度取,短路时峰值电流限制最大磁通密度,最大磁通摆幅,最大电流纹波10A,最大峰峰值磁通摆幅对应于最大纹波电流,100C功率比损耗随峰值磁密和频率的变化曲线,不同频率和峰值磁密比损耗随温度变化曲线,忽略二极管D1和D2的导通压降。,电感L上的波形,T,主变压器,纹波频率为200KHz,磁芯损耗近似4mW/cm3远小于100mW/cm3,磁芯工作在Ipmax时磁通接近饱和。,最大磁通摆幅,(4

6、)选磁芯形状和尺寸,单线圈电感K1=0.03,满载电流50A,峰值电流65A,L=2.2微亨,下面对系数K1做解释,K1W初级铜面积/窗口面积,K1假定线圈损耗比磁芯损耗大得多，自然通风冷却下，电流密度取420A/cm2时的经验值。,K2假定线圈损耗和磁芯损耗相等，电流密度为292A/cm2,则K2=0.707K1。,各种系数与电感类型的关系,线圈窗口利用率,自然冷却经验值K1,线圈损耗等于磁芯损耗,损耗不严重时,决定磁芯尺寸的AP法,Isp最大峰值短路电流,IFL初级满载电流有效值,K1假定线圈损耗比磁芯损耗大得多，自然通风冷却下，电流密度取420A/cm2时的经验值。,磁芯损耗严重时，损耗

7、限制的磁通摆幅，面积乘积公式为,初级电流变化量,最大磁通密度摆幅,公式中的4/3次方说明：,磁芯尺寸增加，磁芯和线圈（产生损耗）体积增加大于表面积（散热）的增加。因此磁芯体积大的功率密度降低。,选择磁芯,查表得到磁芯参数,计算需要值,查表值,磁芯尺寸,带骨架的窗口数据,AW=1.23cm2,bW=2.10cm,hW=0.60cm,law=6.10cm,窗口宽度,窗口高度,平均匝长,骨架型号：CPH-ETD34-1S-14P,骨架材料:PBT阻燃加固,引脚数：14,最高工作温度155度,绕组截面积123/mm2,绕组最小宽度20.9/mm,平均匝长60/mm,(5)决定热阻RT和允许损耗,磁芯损

8、耗,线圈损耗,损耗,热阻,最大允许温升决定损耗,磁芯比损耗,磁芯损耗,磁芯比损耗,线圈损耗可以大于2W,Bmax=3000Gs=30mT,允许总损耗是2.5W,（6）计算保证电感量所需要的匝数,取5匝,尺寸-cm,L-微亨,需要说明的是：电路中的滤波电感的电感量是由电感上的电压、电流脉动，电路的频率、电容大小、纹波要求等确定的。,1000匝线圈等效电感uH,ETD磁芯是圆形端面,端面中柱直径,（7）根据所需的电感量计算气隙长度,校正气隙后的截面积cm2,边缘修正后的有效截面积,矩形端面,长度单位cm,将得到数据再代入上式进行校验，直到误差小于10%。,ETD34的气隙截面是圆形截面，用下面的公

9、式计算，并设,（8）计算导体尺寸、线圈电阻、损耗和温升,bW=20.9mm,hW=（25.4-13.4）/2=6mm,窗口宽度,窗口高度,50A/450=0.111cm2,导体截面积,导体厚度,0.111/2.09=0.0555cm,层间绝缘,0.005cm,线圈高度,hW=0.60cm,骨架高度,没有充分利用,线圈匝数,N =5,电流密度,450A/cm2,为减少损耗,导体厚度,0.1cm,线圈总高度,0.525cm,导体截面积,0.2cm2,平均匝长,6.1cm,线圈总长,6.15=30.5cm,线圈电阻,直流损耗,计算线圈的交流损耗,在频率200kHz时的穿透深度,有效面积减少倍数,导体

10、厚度d =0.1cm,p=5层,三角波交流电流分量有效值,交流损耗为,线圈总损耗,(9)总损耗为1.18+0.03=1.21W，远小于2.1W。,满载时按损耗计算线圈的电流密度为250A/cm2,ETD34磁芯的面积乘积比计算值大了65%。可以选用更小一号磁芯。选ETD29试试。,【例题2】,磁粉芯电感设计举例,设计一个磁粉芯电感，用于BUCK变换器输出滤波电感。为计算简单起见设输入电压为15伏，输出为5V/2A，工作频率250kHz。电感量为35微亨，电流从0变化到2A，允许磁芯磁通变化不超过20%，即电感量变化不超过20%，绝对损耗为300mW，自然冷却，温升40C。,(1)计算电感量,占

11、空比,纹波电流峰峰值,磁芯损耗和线圈损耗各占一半150mW,临界连续电感量为,（2）选择磁芯材质,工作频率为250kHz，选择MPP磁粉芯材料，因为MPP材料的损耗低。还应注意磁导率随直流偏置加大而下降。,（3）粗选磁芯尺寸,选择Magnetics公司的MPP磁芯,2倍储能：,77：铁硅铝55：MPP磁芯58：高通,磁芯初始磁导率为300微亨，可选择55045-A2牌号的磁芯，参数如下：,1000匝电感系数,匝数,匝数取整需核算电感,取19匝,电感系数8%的误差,（4）计算磁通密度,平均磁路长度,CGS制的磁场强度,磁通密度,单位换算,由于直流滤波电感工作时有直流偏磁，这个直流偏磁会是磁芯的磁

12、导率下降，用实际磁导率与初始磁导率的比值为纵坐标，横坐标为直流偏磁奥斯特Oe。,（5）计算电感的变化量,2A时电感量下降到,如果想要增加电感量，需要增加匝数，但增加匝数会增加磁通密度，更增加电感量的变化，换一个更低磁导率的磁芯试验。,（6）第二次试算,牌号55050-A2,取29匝,（7）再次计算磁通密度、磁导率变化量和匝数,校验实际电感量,磁通密度,直流偏磁影响,计算电感的变化量,直流偏置（Oe）1Oe0.796A/cm,85%,（8）选择导线,线圈的窗口面积0.383cm2，取充填系数为50%。,电流密度选4A/mm2，2A只需要0.5mm2,小于0.66mm2,磁芯初始磁导率为300微亨

13、，可选择55045-A2牌号的磁芯，参数如下：,选择磁环TN12.5/5，内径为7.62mm，外径为12.7mm，高问4.75mm。,绕2层，加起来可超过29匝，满足要求。,（9）计算电阻,选择平均匝长为2.06cm,集肤深度,有效厚度,查DOWELL曲线,(10)功率损耗,电流纹波的峰峰值,交流磁场强度,磁感应峰值,直流偏置（Oe）1Oe0.796A/cm,85%,2A的直流偏磁使磁导率下降85%,需要注意的是BUCK变换器中的电感里的电流是三角波，不是正弦波，而厂家提供的曲线是正谐波下获得。以实验测试为基础进行一些近似估算，提供一些经验公式。,Magnetics磁芯,单位体积损耗表达式,磁

14、芯损耗,求总线圈损耗,直流损耗,交流损耗,磁芯和线圈总损耗：240mW,磁芯损耗大于线圈损耗,（11）温升计算,预计温升,由于环境温度为20C，线圈电阻温度为36.8C,如果环境温度为40C，则线圈温度为56.8C,需要重新计算铜线的直流电阻。,铜的电阻温度系数为,线圈电阻损耗,重新计算温升,电感计算后的产品貌似简单，但涉及的理论知识很多：主要有电路理论、磁芯结构尺寸、绝缘等级、温升等。,其中导线的电阻、磁芯的参数会随环境温度而变化，温度及温升与电感所处的环境、工作状态密切相关互相制约着，使得计算十分复杂。即使是计算好的电感永远是个近似值。,没有更好，只有最好。,【例题3】,设计一个正激交错变

15、换器输出滤波电感,（1）设计参数,电感输入电压,输出电压,工作频率,输出电流,限流电流,纹波电流,占空度,极限占空度,电感量,（2）选择磁芯材料和尺寸,磁芯材料选铁氧体3F3,100C的饱和磁感应密度为0.33T。,选最大磁通,过流时的最大磁感应密度：,第一象限工作磁密选为0.028T,磁芯损耗可以忽略，磁芯由AP法选择， 主要限制是饱和磁密限制。,选择E42C磁芯。主要参数如下：,磁芯的AP值,需要的,满足要求,（3）计算匝数,取10匝,（4）计算气隙长度,预设一个气隙长度，进行计算，再复核计算数据进行迭代，若干次后就接近目标值。,误差只有2%，可以满足要求。,电感单位为微亨，长度单位为cm

16、,（5）计算导线尺寸,对于电感中电流连续的磁芯，主要损耗在线圈。但由于工作频率高，线圈匝数较少，可以选用的电流密度可以相对高些。,导线规格尺寸,直流电阻,集肤深度,导体的有效厚度与集肤深度的比值Q,电感电流为三角波，有效值为：,（6）线圈结构,导线带漆皮直径为2.36mm,10匝导线的宽度为2.36cm,E42C磁芯骨架的窗口宽度为2.96cm,绕成单层，散热效果好。,（7）导线损耗与温升,直流电阻损耗,交流损耗,线圈总损耗,磁芯热阻,线圈温升,前述计算都按20C时的电阻率计算电阻的，考虑到环境温度，实际电阻温度要高些，电阻值也高些。,设环境温度为40C，温升40.5C，线圈温度为80.5C。

17、电阻损耗增加，温度也增加，设温度增加到91C,则,迭代计算,实际线圈损耗,电流连续模式的其他拓扑的电感即Buck、Boost、Buck/Boost以及推挽、半桥和全桥输出滤波电感设计方法相似。连续模式反激变压器磁芯损耗虽然可以不计，但线圈电流是断续的，必须计算线圈交流损耗，尤其是多层线圈。为减少邻近效应引起的交流电阻增加，初级与次级通常要分段交替绕制。,电流断续模式直流滤波电感设计,【例题4】,设计一个断续模式反激变压器，反激变压器设计参数为,输入电压,输出电压与电流,短路电流,工作频率,极限占空比,最大反向恢复时间,温升,漏感,【解】,（1）决定次级电压和输出功率,(2)计算次级电感量,推导

18、得电感L2,设效率为90%，最大占空比小于极限占空比,即取,（3）求匝比,（4）计算线圈电流,次级电流有效值,次级电流峰值,次级电流交流有效值,初级峰值电流,初级电流有效值,输入平均电流,初级电流波形,（6）选择磁性材料和尺寸,选择Magnetics公司P材料,虽然工作频率为70kHz，则肯定能满足要求。,单位体积损耗,式中,求得,求磁芯的AP值,选择磁芯型号,(7)计算线圈匝数,匝数从最低电压边算起，减少匝数取整误差,与双向磁化相等损耗，磁感应加倍，次级匝数为,取5匝,实际磁感应密度B,单位体积损耗,初级分成235，次级夹在初级中间,（8）计算气隙,设气隙,（9）计算导线尺寸,选定一个电流密度,计算线径,计算集肤深度,计算交流电阻,计算直流电阻,（10）选择线圈结构,考虑窗口宽度，绕的层数，是否交错绕等,（11）计算导线损耗和温升,留给同学们课后学习,欢迎来到南京航空航天大学,THE END,