Delta CPBG R&D (Shanghai) Center 变压器设计与材料选择 Guan Junfeng MSBU-MISH Delta CPBG R&D (Shanghai) Center 2008.08.29

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 导磁回路(磁心) 励磁磁通 漏磁磁通 副边绕组 原边绕组 二次侧 一次侧 1.改变电压 2.隔离电路

绕组的电压关系 法拉第定律: 变压器 法拉第定律 变化磁场 空间回路 E 跟据法拉第定律: 交变磁场中的电动势: 变化磁场在闭合回路中产生的感生电势 E 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 磁通不能突变 导体 变化磁场在闭合回路中产生的感生电流 i 感生电流所产生的磁场 实际通过闭合回路的磁场 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 高频开关电源变压器 锰锌铁氧体(Mn-Zn Ferrite): （40KHz-2MHz) 功率铁氧体 可用作变压器的磁性材料 镍锌铁氧体(Ni-Zn Ferrite): 非晶，超微晶，纳米晶: 中低频开关电源变压器 （＜40KHz) 工频变压器 硅钢片

材料的损耗指标:固定Pcv时的FxB公式 铁氧体材料的选择 Ａ：磁心的饱和磁密 Ｂ：磁心的损耗 (储能与放能之差) 选择磁性材料的关键点： BH曲线 磁损曲线 B Bm Bac Bac Bac H Hdc=0 Hdc Hdc 单位体积磁损公式： 一三相限:Full bridge 一相限:forward DC Bias:flyback 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: Material performance factor Pcv=100 kw/m3 Pcv=300 kw/m3 Pcv=500 kw/m3 Ferroxcube 3C96 3F35 T=100℃ 10000 40000 50000 200 2000 f(kHz) f*B (HzT) 3F4 Pcv=100 kw/m3 Pcv=300 kw/m3 Pcv=500 kw/m3 N49 N97 1000 5000 50000 f*B(HzT) f(kHz) EPCOS 35000HzT 32000HzT 23000HzT 22000HzT 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 磁心的Bmax的选择方法 一般情况下 fs<150KHz,Bmax取决于Bs, 假设fs=100KHz,取Bs的80%为基准, 材质3C96 ,Bmax=0.5*80%*Bs=136mT fs>300KHz, 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=80mT fs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,Pcv<300mw/cc B1=0.5*80%*Bs=136mT;B2=28000HzT/200KHz=140mT, 取B1和B2中的小值作为Bmax=136mT

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 高温 高饱 低温 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 EE ER,EC,ETD EFD PQ RM 常用铁心形状A 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ＥＥ类的小，而Ae较ＥＥ类的大， 应用于高功率密度的条件． 也适于作输出电感或ＰＦＣ电感 窗口开口较小，不适合作很多路输出变压器 EFD PQ RM

选择磁心的形状 PJ EQ Planar EE 常用铁心形状B 形状分类 特点 适用情况 PJ ＰＯＴ Core的改进版，Ae大窗口小，磁屏蔽效果好；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；不适合飞线，不适合使用Margin tape做安规 EQ ＰＪ，ＰＱ的改进版，窗口条件比PJ好，高度和Ae比ＰＱ好；磁屏蔽效果不如PJ Planar EE 低高度，Ae大，窗口小；中柱长宽比大，不适于绕线 应用于ＰＣＢ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 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 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<3000Vac 规格:0.2mm-1.0mm 名称:铜箔,铜皮 结构:纯铜薄片,使用时需加绝缘 规格:厚0.025,0.05mm常用作屏蔽层 厚>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) 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 J 集肤效应(Skin effect): x 主电流 邻近效应 (Proximity effect): J 外部交流磁场 x 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 x 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. 在导体内回路包围的电流在导体中产生的磁场 主电流 主电流在导体外产生的磁场 邻近效应 (Proximity effect): J 外部交流磁场 外部磁场产生的涡流 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. x 集肤电流 在导体内回路包围的电流在导体中产生的磁场 主电流 主电流在导体外产生的磁场

使用工具估算绕组的损耗 Ansoft Maxwell 2D &3D 通过２维和３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

Dowell 1D model ( Magnetics Design tool) 使用工具估算绕组的损耗 Dowell 1D model ( Magnetics Design tool) 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 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

漏磁通与漏感 漏感与磁场 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　　 * n Lk Lm 所以可以简略认为

漏感的估算 而: 故: 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) Hmax 故: 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

变压器的设计

变压器的设计 开关电源的拓扑 相关参数 计算AP 评估变压器性能 设计绕组 选择铁心

AP法介绍 AP法, 即 Area Product (面积乘积)法的简写 走磁通的面积Ae X 走电流的面积Aw =AP AP的计算公式 (磁心的储能能力) (磁心的通过电流的能力) AP的计算公式

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 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Bac 2 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 h 0.9 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) 最大占空比 Dmax 0.4 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 (℃) 75 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300 2 副边绕组允许电流密度 Js (A/cm2) 750 3 窗口利用率 Ku 0.2 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 Ipk Ｂ DB Ｂr Ｈ 原边电流波形 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 Forward变压器磁心中的ＢＨ回线 Ｂ 3.预计算原边电流脉冲Ipk DB Ｂr 4.预计算原边电流有效值Iprms Ｈ

(注:本例中Bs取的是H=250A/m时的值0.37T,而不是handbook上给的1200A/m时的0.44T) 磁心的选择 5.Bmax的选择: fs<150KHz,Bmax取决于Bs, 本例fs=100KHz,取Bs的80%为基准, 材质3C96 ,Bmax=0.5*80%*Bs=136mT 6.AP计算: (注:本例中Bs取的是H=250A/m时的值0.37T,而不是handbook上给的1200A/m时的0.44T)

磁心的选择 选择条件： 1.forward 2.假设限高30mm 3.要求高功率密度 跟据下表选择PQ26/25 PQ26/25 d.跟据AP选择铁心 选择条件： 1.forward 2.假设限高30mm 3.要求高功率密度 BBN绕线空间 跟据下表选择PQ26/25 PQ26/25 铁心规格 AP PQ 20/16 2932.8 PQ 20/20 4117.8 PQ 26/20 7305.4 PQ 26/25 10143 PQ 32/20 13604.5 PQ 32/30 24899.7 PQ 35/35 41800 铁心规格 AP RM10/I 6168.9 RM12/I 14962.1 RM14/I 28828.8 RM4/I 195.6 RM5/I 414 RM6S/I 888 RM7/I 1389.2 RM8/I 2874.7 13.55mmx4.1mm

圈数的计算与选择 1.原边圈数的计算 . Ae=120mm^2, Bac=136mT 2.副边圈数的计算 . ３.复算确认原边圈数 .

圈数的计算与选择 ４.原边无气隙电感的计算 . MPL=57.3mm (平均磁路长度) ５.变压器的变比 . ６.实际最大占空比 . ４.原边无气隙电感的计算 . MPL=57.3mm (平均磁路长度) ５.变压器的变比 . ６.实际最大占空比 . D最大值满足要求

前面已得出：Iprms=1A Jp=600A/cm2 绕组的计算与选择 1.计算导线截面积 . 前面已得出：Iprms=1A Jp=600A/cm2 对于正激电路，副边电流 前面给定Js=750A/cm2 2.导线类别和线包结构的初选 . 单心线0.5mm,多股线0.1x25C 原边线径 副边线径 TIW 0.9mm,铜箔绕组:宽度>10mm 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

中间副边绕组２次层由２主层平分到２个组中，各有２层 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 ７圈副边铜箔／3.5层 一二次侧边界 一二次侧边界 注意： １．铜箔的规则与导线相同 ２．如果是Litz线，层数还要乘上股数的开方值（如２层0.1x25c线的损耗层数是２xsqrt(25)=2x5=10层 主层 主层 次层 次层 原边绕组１主４次共５层 副边绕组１主３次共４层 内外原边绕组一个３层１个２层 中间副边绕组２次层由２主层平分到２个组中，各有２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，或铜箔绕组圈数 Re/Rdc 0.1*25c 5 1.1 10 1.4 4.不同线组合的对比列表 . 线型 导线层数，或铜箔绕组圈数 Re/Rdc 0.1*25c 5 1.1 10 1.4 0.5 1 1.54 2 3.35 0.9 2.56 7.11 0.45 1.67 0.12铜箔 ９ 1.36 0.15铜箔 ７ 1.48

绕组的计算与选择 5.导线的选择与排布 . 铜箔绕组 4.1 …… …… …… …… 13.55 5.导线的选择与排布 . 铜箔绕组 4.1 0.12mm铜箔,每层外带6层胶带合计0.48mm BBN 的绕 线空间 …… …… …… …… 13.55 对比0.9TIW,当铜箔绕组超过3匝,即不合算 0.5,线径约0.55mm 每层可布24圈，共布2层少4圈 总厚1.1mm 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 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 组合１ 0.1x25c+0.9TIW,sandwich,总厚度3.76mm 组合2 0.5+0.9TIW,sandwich,总厚度2.91mm

绕组的计算与选择 6.线包结构 . Bottom Top PQ2625 组合2 RM12/I 组合1 Bottom Top 6.线包结构 . Bottom Top PQ2625 组合2 RM12/I 组合1 P绕组2,20Ts,0.1x25c, 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 TIW 0.9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1,24Ts,0.5,实际厚度约0.5mm Bottom Top P绕组2,14Ts,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 TIW 0.9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1,21Ts,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 . 绕组损耗 原边直流电阻 原边等效电阻 副边直流电阻 副边等效电阻 采用组合2方案 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 气隙可以加工 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 .

计算漏感时的线包总厚度不包括线包最外层的胶带厚度 漏感的估算 PQ26/25 RM12/I 线包截面及相对尺寸 线包截面及相对尺寸 7.1 2.74 7.3 3.04 H对x的函数 13.55 14 0.42 0.42 0.42 0.42 0.5x24T 0.9x9T 0.5x20T 0.65x21T 0.9x7T 0.65x14T 漏感能量与电感之间的关系： H1 24AT H 21AT H x x x1 x2 x3 x4 x5 x6 H2 -20AT 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 -15AT 磁心对称轴 计算漏感时的线包总厚度不包括线包最外层的胶带厚度 磁心对称轴

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 1 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Bac 2 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 h 0.9 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 CCM CCM,DCM,DCMB 8 纹波系数Krp 0.6 Krp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 最大占空比 Dmax 0.45 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 (℃) 75 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300 2 副边绕组允许电流密度 Js (A/cm2) 3 窗口利用率 Ku 0.2 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

Flyback的工作模式 1.FLYBACK的工作原理 Tx Lk Vin * ip,im Lm * im im CCM DCM CCM, 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 DCMB im 上述模式均指的是Lm的工作状态

用AP法选择磁心 1.AP的计算 Ispk Ippk 副边电流波形 原边电流波形 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 2.计算原边平均电流Iin 6.Bmax选择 跟据频率选择材料为3C96,再跟据Bs选择Bmax=Bac=0.1036 7.计算AP 3.预计算原边电流峰值Ipk

铁心的选择 选择条件： 1.flyback 2.假设限高20mm 3.要求高功率密度 4. 无风 跟据下表选择PJ3018 跟据AP选择铁心 选择条件： 1.flyback 2.假设限高20mm 3.要求高功率密度 4. 无风 跟据下表选择PJ3018 BBN for J3018 铁心规格 AP PQ 20/16 2932.8 PQ 20/20 4117.8 PQ 26/20 7305.4 PQ 26/25 10143 PQ 32/20 13604.5 PQ 32/30 24899.7 PQ 35/35 41800 铁心规格 AP RM10/I 6168.9 RM12/I 14962.1 RM14/I 28828.8 RM4/I 195.6 RM5/I 414 RM6S/I 888 RM7/I 1389.2 RM8/I 2874.7 铁心规格 AP PJ3018 8784 PJ3319 13326

Mos耐压Vds=600V,裕量Vdsmargin=150V Diode耐压Vdm=150V,裕量Vdmmargin=50V 圈数的计算与选择 1. 圈比的计算 . 2. 圈比的合理性 . Mos耐压Vds=600V,裕量Vdsmargin=150V Diode耐压Vdm=150V,裕量Vdmmargin=50V n=4.46满足要求 3. 圈数的计算 . 回算： 取：

圈数的计算与选择 3. 验算圈比和Duty Cycle . 满足要求 满足要求 4. 计算气隙 . 得到 可以加工 跟据 4. 计算气隙 . 得到 可以加工 跟据 5. 铁心中磁通的计算 . 交流磁通 直流磁通 最大磁通 满足要求

前面已得出：Iprms=1.046A Jp=500A/cm2 绕组的计算与选择 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 . 4.导线的排布 . 线型 导线层数，或铜箔绕组圈数 Re/Rdc 0.1*30c 5.5 1.05 11 1.2 0.8 1 1.68 2 3.86 4.导线的排布 . 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 P-S绕组间绝缘和Shielding共厚约0.42mm S绕组 7圈 TIW 0.8x2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1,14Ts,0.1x30c,实际厚度约0.75mm 线包总厚度:5.1mm BBN壁与Core 之间5.35mm

0.1x30C+0.8TIWx2,sandwich,总厚度2.91mm 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% 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 １.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 . 7 4.49 H对x的函数 10.7 H x 0.42 0.42 漏感能量与电感之间的关系： 4.漏感的估算 . 线包截面及相对尺寸 7 4.49 H对x的函数 10.7 0.42 0.42 0.75x14T 0.8x7T 0.75x17T 漏感能量与电感之间的关系： H 14AT x -17AT 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 磁心对称轴

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 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： 漂高原因电压spike Good couple Sec Aux Pri Bad couple P　　S1　Aux(S2)

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 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Bac 2 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 h 0.95 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) 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 (℃) 75 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300 2 副边绕组允许电流密度 Js (A/cm2) 800 3 窗口利用率 Ku 0.2 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的计算 Ipk 原边电流波形 4.预计算原边电流有效值Iprms 5.Bmax选择 1.输出功率Po 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 1.输出功率Po 2.计算原边平均电流Iin 6.计算AP 3.预计算原边电流脉冲Ipk

铁心的选择 选择条件： 1.全桥 2.假设限高35mm 3.要求高功率密度 4. 有风 跟据下表选择PQ3230 跟据AP选择铁心 选择条件： 1.全桥 2.假设限高35mm 3.要求高功率密度 4. 有风 跟据下表选择PQ3230 PQ3230　BBN　绕线空间 铁心规格 AP PQ 20/16 2932.8 PQ 20/20 4117.8 PQ 26/20 7305.4 PQ 26/25 10143 PQ 32/20 13604.5 PQ 32/30 24899.7 PQ 35/35 41800 铁心规格 AP RM10/I 6168.9 RM12/I 14962.1 RM14/I 28828.8 RM4/I 195.6 RM5/I 414 RM6S/I 888 RM7/I 1389.2 RM8/I 2874.7 铁心规格 AP PJ3018 8784 PJ3319 13326

圈数的计算与选择 １. 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 . Ae=149mm^2, Bac=200mT MPL=71.8mm 3.变压器的变比 . 2.原边无气隙电感的计算 . MPL=71.8mm Ae=149mm^2, 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

前面已得出：Iprms=4.99A Jp=600A/cm2 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 线径过粗,选用铜箔0.1x16,常规绕法 副边线径

3.在design tool中计算Re/Rdc . 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/Rdc 0.1*100c 10 1.157 0.1*200c 8 4.55 0.8 1 2.74 0.2铜箔 1.81 0.6铜箔 5.44 厚度大于0.2mm的铜箔,损耗基本相同

P-S绕组间绝缘和Shielding共厚约0.42mm P-S绕组间绝缘和Shielding共厚约0.42mm 绕组的计算与选择 4.导线的排布 . P绕组2,14Ts,0.1x50c, 实际厚度约095mm 常规结构 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1,14Ts,0.1x50c,实际厚度约0.95mm

0.1x50C+0.2X16 copper,sandwich,总厚度2.91mm 绕组的计算与选择 5.绕组损耗的计算 . 0.1x50C+0.2X16 copper,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

变压器的其它性能参数 １.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 常规结构 . 7.95 3.44 H对x的函数 18.5 H x 0.42 0.42 4.漏感的估算 常规结构 . 7.95 3.44 H对x的函数 18.5 0.42 0.42 0.95x14T 0.2x2T 0.95x14T 漏感能量与电感之间的关系： H 14AT x -14AT 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 磁心对称轴

变压器参数的设计优化 1.变压器损耗的最优化推导 2.绕组损耗的影响因素

变压器损耗的最优条件 变压器的电路等效模型 变压器的电路模型 n * Vo Pc Pw 即,当Pw=Pc时,变压器获得最大效率 Lk Lm Rpri Rsec Rm Ro ip im is 漏感 原边绕组损耗 励磁电感 副边绕组损耗 铁损 等效负载 Vi * n Lk Lm Vo Pc Pw 跟据最小值原理,当 时, 效率 达到变压器的最大值. 即,当Pw=Pc时,变压器获得最大效率 本推导是在一定的简化条件下才成立的

变压器损耗的最优条件 条件: 此时: 当

选定铁心后的效率优化 绕组损耗: 特定铁心损耗(定频): 输入功率: 当原副边导线填充率相同时: 将上式代入Pw 和Pc公式得到: Min(Pi) 将上式代入Pw 和Pc公式得到: 对于多数磁性材料来说,x 在2-3之间, 所以 Pc=0.6~1*Pw 根据效率的不同优化条件可以得到不同的最高点, 但Pc和Pw的差距总在来说不宜太大

影响绕组损耗的因数 1.DCR:所选铁心的MLT,圈数和线径*股数 2.Rwinding: 绕组的选线和排布 跟据交流损耗的原理 平行排布的同向电流的导体,其平行2侧的H值越大,交流损耗越大 Hw H=0 Hmax 减小H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) H=0 Hmax Ww

Q&A