IGBT应用和电磁元件设计.ppt

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1、IGBT应用设计方法电磁元器件设计方法 尤 勇 2008.5.10 B,目录,一、IGBT概述;二、IGBT分类;三、IGBT主要电气参数和特性；四、IGBT选用；五、IGBT失效分析；六、业界发展趋势；,一、IGBT概述,1、IGBT定义IGBT绝缘栅双极性晶体管（Insolated Gate Bipolar Transistor），是80年代初为解决MOSFET的高导通压降（难以兼顾高压和大电流特性）和GTR的工作频率低、驱动功耗大等不足而出现的双机理复合器件（Double Mechanism Device）。,相当于一个低压MOSFET和一个高压大电流GTR的复合结构。,一、IGBT概述

2、,2、IGBT主要特点由于少数载流子注入的基区调制效应，正向饱和压降（类似于MOSFET的导通电阻）不再明显受到耐压的影响。在大电流下可获得很低的通态压降和很高的功率处理能力；同等耐压和功率处理能力下，IGBT所需的芯片面积明显小于MOSFET，因而具有成本优势；具有MOS栅控制结构，驱动与MOSFET类似；关断时由于少数载流子存储效应，存在电流拖尾，关断损耗较高；也限制了使用频率（一般不高于200KHZ）；由于没有自身的体二极管，应用中需配合反并二极管用以续流，同时限制反向电压。多数产品内部已集成封装了此反并二极管。,一、IGBT概述,3、IGBT主要应用范围,二、IGBT分类,1、按电压等

3、级划分300，600，900，1200，1700，3300，6500V，等,二、IGBT分类,2、按芯片技术划分,二、IGBT分类,PT(Punch Through),在p衬底（约500um)上外延生长高掺杂的n缓冲层（约10um）和n漂移层（约100um），再双扩散出P型沟道体区和n发射区。多晶硅栅的扩散掩蔽作用有利于实现精确的自对准。,在正向截止状态下，空间电荷区覆盖了整个n漂移区，其结尾处的n缓冲层吸收了剩余的电场；,二、IGBT分类,NPT(Non Punch Through),工艺特点：在优质单晶结构的低浓度N-硅片上通过扩散、离子注入工艺完成器件整体制造，没有质量欠佳的异质外延层，

4、因而开关安全工作区宽；N-区不掺金、铂等少子复合中心，因而高温稳定性好；集电极侧P区浓度和少子注入浓度低，关断速度快。,N区有足够厚度，可吸收在正向截止状态下最大截止电压(雪崩击穿)的场强，电场延伸到n区之外的现象不会出现。,二、IGBT分类,FS-NPT(Field Stop NPT),剖面结构和电场行为和PT IGBT类似；n缓冲层浓度比PT中要低；,制造工艺与NPT类似，饱和压降低，开关频率高，温度稳定性好。,二、IGBT分类,3、按栅结构划分,平面栅（planar）优点：承受短路能力较高；栅极电容较小（约为沟槽栅器件的三分之一）；,沟槽栅（Trench）优点：单元面积较小，电流密度较大

5、，通态损耗降低约30；击穿电压更高；,二、IGBT分类,4、按封装划分：（1）单管分立器件：TO-220,TO-247,TO-MAX等；,二、IGBT分类,（2）模块：提供绝缘功能，3KV以上（安规认证，UL）。绝缘材料：Al2O3、AlN、AlSIC、BeO等（一般工业用器件采用Al2O3、AlN，而航空用器件采用AlSiC材料）,金属基片：主要采用直接铜熔结 DCB（Direct Copper Bonding）。在1000以上的温度下，约0.30.6mm的绝缘基片的上下表面分别与约300um后的铜层共熔一起，然后刻蚀上表面铜层以得到需要的电路连接。,二、IGBT分类,A、有铜底板（Copp

6、er Baseplate）的模块 DCB的底部被焊接在约3mm厚的铜底板上,62mm模块：1066230mm,二、IGBT分类,B、无铜底板的模块：,SEMIPONT,EASY 系列,优势：降低成本和模块重量；减小热阻；缺点：由于DCB较薄，对安装工艺要求更苛刻；,二、IGBT分类,5、按照内部拓扑划分：,IGBT,PIM,二、IGBT分类,IPM（Intelligent Power Module）,三、IGBT主要电气参数和特性,1、实际结构（NPT）及其等效电路,三、IGBT主要电气参数和特性,2、输出特性,由于设计芯片及其边沿结构时，侧重于追求高的正向截止电压和优化集电极端口散热，反向截

7、止电压约几十伏。,由于集电极端pn结处于截止状态，IGBT不具备反向导通能力。,三、IGBT主要电气参数和特性,3、集电极发射极击穿电压Vces（BVces）Vge=0V时的最大C-E极直流电压，对应于pnp晶体管的Vcer。,正温度系数，约10/Tj100；低温条件下器件耐压降低！,三、IGBT主要电气参数和特性,4、集电极电流Ic,手册中Ic、Icm参数,实际电流容量随温度上升而下降。,三、IGBT主要电气参数和特性,5、集射极饱和电压Vce(sat)IGBT饱和导通时通过额定电流的集射极电压，它是Tj、Ic和Vge的函数，表征器件的通态损耗。,PT:由于集电极端厚衬底的空穴注入浓度高，基

8、区调制效应明显，Vce(sat)呈现负温度系数；,NPT:由于P衬底较薄，空穴注入效率较低，引入的双极负温度系数成分较小，NPT-IGBT的Vce(sat)温度系数在很小电流时仍呈现负温度系数，但在较大的正常使用电流条件下为正温度系数，高温性能稳定且易于并联。,三、IGBT主要电气参数和特性,6、开关时间及开关能量 例：SKM100GB124D的开关时间及开关能量,三、IGBT主要电气参数和特性,通常测量电路,三、IGBT主要电气参数和特性,Eon(Eoff)和电流以及栅极电阻的关系,随着电流Ic增大，开关损耗增加。,随着栅极电阻增大，开关损耗增加。,三、IGBT主要电气参数和特性,7、反并联

9、二极管参数,三、IGBT主要电气参数和特性,8、热阻参数,温态热阻,IGBT瞬态热阻（二极管芯片也有一个类似的结壳瞬态热阻曲线）,四、IGBT选用,1、何时应选用IGBT？,四、IGBT选用,2、主要供应商,四、IGBT选用,3、IGBT驱动（1）驱动分类 IGBT的驱动方式从易到繁分直接驱动、电流源驱动、双电源驱动、隔离驱动（又分变压器隔离与光电隔离）、集成模块式驱动，在需要有延迟开通功能时多采用光电隔离驱动或集成模块驱动方式。,四、IGBT选用,（2）一般驱动特性,四、IGBT选用,（3）一般驱动要求：通常驱动电路必须提供正栅压15V，关断负栅压-155V；栅极驱动电路必须能够传送一个与总

10、的栅极电荷乘以开关频率相等的平均电流，它也必须能够传送2到3A的峰值电流。同时能输出用于关断的负电平；为使瞬变和振荡减到最小，应在栅极串联一个低值的电阻（几到几百不等，见厂家推荐的数值或图表）；栅发射极之间应设计齐纳二极管，并尽可能近地同该器件相连；驱动电路布线必须采用适当的接地，驱动电流导线尽可能短；避免主回路导电条与驱动电路混合或相交；驱动器电源两端须有高频旁路方式，并尽可能接近驱动电路；,四、IGBT选用,（4）光耦驱动电路简例,四、IGBT选用,（5）脉冲变压器驱动,四、IGBT选用,4、并联使用（1）IGBT并联使用时突出的问题是均流，影响均流的直流参数是VGE(th)、gfs和VC

11、E(on)，饱和压降偏差不要超过15%，阈值电压偏差不要超过10%，跨导也要近可能接近。此外，驱动电阻应分立，以防止出现振荡，驱动电路、发射极的杂散电感对并联影响尤其重要，应尽可能地对称。不推荐使用不同厂家的产品并联使用，这样可以基本排除交流参数对均流的不良影响。,四、IGBT选用,5、串连使用和MOSFET一样，一般不宜串连使用；如必须串连使用，请避免不同型号或不同厂家模块的串连；用并联电阻方式减少模块漏电流影响，改善静态均压；均衡布置功率和驱动电路并尽量减少寄生电感，以改善动态均衡效果；采用无源RC网络或者RCD网络以支持动态均衡；,Rp的选取：其导通电流约为IGBT截止漏电流的35倍；,

12、四、IGBT选用,四、IGBT选用,6、短路（过流）保护（1）短路模式,单臂短路,接地短路,输出短路,桥臂直通短路,四、IGBT选用,（2）电流检测法保护,四、IGBT选用,（3）Vce（sat）检测法保护,四、IGBT选用,7、降额应用,四、IGBT选用,8、散热考虑功率模块内部热阻分布,1200V(Al2O3）IGBT模块内部热阻分布比例,四、IGBT选用,9、安装加工（1）预防ESD损伤 IGBT的栅氧厚度比功率MOSFET要厚，这使得它对静电不如后者敏感。但是IGBT毕竟是MOS栅器件，应用中须有防静电措施：控制电路中设计栅极泻放电阻和稳压管保护；运输、储存、加工、焊接中注意避免静电损

13、伤（静电电压控制在100V以下）；,四、IGBT选用,(2)使用平整度好的散热器,四、IGBT选用,（3）均匀涂抹满足厚度要求的导热硅脂,硅脂厚度通常要求：有铜底板模块 100um；无铜底板模块 50um；,四、IGBT选用,（4）使用正确的安装力矩和安装程序,设厂家推荐最大安装力矩为Ms,则用户安全使用的实际安装力矩Mc一般应为：0.9*MsMc Ms,四、IGBT选用,按照正确的顺序预紧、最终紧固螺钉：,四、IGBT选用,五、IGBT失效分析,1、失效原因：（1）设计因素：过电应力；散热不足；容差偏小；,（2）加工、测试、装配因素（静电损伤、机械损伤、过压击穿等）；（3）来料因素（批次问题

14、、个别不良）；2、失效分析方法：信息收集芯片解剖电应力测试VGS，VDS，ID，TC来料测试加工跟踪,五、IGBT失效分析,六、业界发展趋势,1、封装技术发展趋势：散热能力和温度循环能力的改善；优化设计，降低内部引线电感；高度灵活的封装于连接技术，简化用户的装配；更高的集成度和复杂度；,六、业界发展趋势,2、芯片技术降低通态压降；降低开关损耗；改善耐冲击性；提高高压晶体管的正向截止电压；目前最大潜力在于单元设计的优化；,INFINEON 芯片发展趋势,六、业界发展趋势,3、新材料 以碳化硅(SiC)及GaN为代表的宽禁带材料，是继Si和GaAs之后的第三代半导体。与Si相比，SiC具有宽禁带(

15、Si的23倍，Si的禁带宽度为1.12eV)、高热导率(Si的3.3倍)、高击穿场强(Si的10倍)、高饱和电子漂移速率(Si的2.5倍)、化学性能稳定、高硬度、抗磨损以及高键合能等优点。所以，SiC特别适合于制造高温、高频、高功率、抗辐射、抗腐蚀的电子器件。,六、业界发展趋势,SiC材料器件目前状态及趋势：生长过程缓慢（数um/h），且位错、堆垛层错等缺陷密度较大，影响实用稳定性，目前主要用于制造二极管；目前价格昂贵。但发展迅速，预计到2009年宽带半导体销售可达50亿美金；技术领先公司是美国Cree，近年来其年营业额以约50速度高速增长；我国一些高校（如中科大）和研究所（如物理所）也在进行

16、相关研究；,电磁元器件设计方法,1.磁的基本定义2.器件主要参数-磁材3.器件分类4.器件选用指导(类型、参数、工艺加工、可靠性)5.失效分析6.业界发展趋势,内容提纲,内容提纲,铁氧体磁芯,均匀气隙的粉芯,非晶类磁材,电磁元件骨架,1.磁的基本定义,磁动势 定义:线圈通电，其内产生磁通量的能力。(给环形螺线管的线圈通电，环形螺线管上的铁芯的截面积为A，磁通量密度为B，则总的磁通量=BA=HA-:磁导率，H:磁场强度 线圈的匝数设为N，螺线管平均长度为l，线圈通入电流为I，根据安培环路定理，得出 NI=Hl 导出=*NI*A/l 整理出=NI/(l/A),定义 R=l/A在磁路中，NI就为磁动

17、势，R为磁阻。),1.磁的基本定义,磁路适合用欧姆定律,1.磁的基本定义,电磁感应与感应电动势 因通过线圈的磁通量发生变化，在线圈中产生电动势的现象，称为电磁感应，因电磁感应作用而产生的电动势称为感应电动势，由此产生的电流称为感应电流。电磁耦合 二个相距很近的线圈，若其中一个线圈中的电流发生变化，则在另一个线圈中产生感应电动势。即一个线圈中产生磁通量对另一线圈也有影响，为样的状态就是电磁耦合状态。,1.磁的基本定义,电感器 N匝线圈通电流I，产生磁通量时，磁通匝链数N与线圈内的电流I成正比，N=LI，L称为线圈的自感，单位为亨利(H)。由自感产生的器件称为电感器。变压器 由电磁耦合(互感)作用

18、，初级线圈电动势变化导致的次级线圈电动势变化的器件称为变压器。,2.器件主要参数-磁材,磁材主要参数 BH磁滞回线图(基本磁芯曲线)-代表磁材的主要磁性能,2.器件主要参数-磁材,1.饱和磁感应强度Bs 随磁芯中磁场强度的增加，磁感应强度B出现饱和时的值，称为饱和磁感应强度Bs。Bs=(H+M)2.剩余磁感应强度Br 磁芯从饱和状态去除磁场后，即H=0时铁芯仍有剩余的磁感应强度称为剩磁感应强度。3 矫顽力Hc 磁芯从饱和状态去除磁场后，继续反向磁化，直至磁感应强度减小到零，此时的磁场强度称为矫顽力Hc。,2.器件主要参数-磁材,4.起始磁导率i、振幅磁导率a、增量磁导率D和有效磁导率e,2.器

19、件主要参数-磁材,磁导率定义为磁感应强度B与磁场强度H的比值=B/0H i-当交流磁场的振幅趋近于零时所得到的磁导率称为起始磁导率；a-如果交变磁场的振幅比较大，所得到的磁导率称为振幅磁导率(变压器的工作状态)；D-在直流偏磁场上叠加一振幅较小的交变磁场作用下，交变磁场分量沿局部磁滞回线变化，此局部磁滞回线的斜率与1/0的乘积称为增量磁导率(滤波电感器的工作状态)；e-含有气隙的磁芯的磁导率称为有效磁导率;真空磁导率为0=4*10-7，磁芯单匝电感量值Al=e 0 A/l(mH/N2)-A/l单位为mm,2.器件主要参数-磁材,5.居里温度Tc 磁芯由铁磁性(亚铁磁性或反铁磁性)转变成顺磁性的

20、温度称为居里温度。在T曲线上，80%max与20%max连线与=1的交叉点相对应的温度，即为居里温度Tc。,2.器件主要参数-磁材,6.磁致伸缩 磁性体磁化状态的变化引起其形状、尺寸改变的现象称为磁致伸缩效应。在开关电源中磁致伸缩效应容易引起磁芯的机械共振，从而导致机械噪声和电磁噪声，可通过点胶固定、浸漆、工作频率增高等方法降低。,2.器件主要参数-磁材,7.损耗因数 磁性材料的损耗由磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗三部份组成。对应的损耗因数依次为tanh、tanf、tanr。剩余损耗是总损耗中除去涡流损耗和磁滞损耗之后所剩余的损耗。在低频或弱磁场中，剩余损耗主要是磁后效损耗；在较高或高频情况下，

21、剩余损耗主要有尺寸共振损耗，畴壁共振损耗，自然共振损耗。在低磁通密度(B0.25mT)下，磁滞损耗对总损耗贡献很小，总损耗可近似为剩余损耗和涡流损耗。在高磁通密度下，总损耗主要由磁滞损耗和涡流损耗构成，剩余损耗可以忽略。在弱磁场下，可以通过高频的Q值测试相对判定磁材损耗。,2.器件主要参数-磁材,计算磁芯损耗通过厂家提供的数据计算,2.器件主要参数-磁材,磁场与磁感应强度的换算公式 磁场：1奥斯特(Oe)=79.577A/m80A/m 磁感应强度 1特斯拉(T)=1韦伯/米2(1Wb/m2)=104高斯(Gauss)1mT=10Gauss,3.器件分类,按开关电源应用分类-按工作位置分类 1.

22、变压器(包括辅助电源变压器)2.共模电感器(输入级、输出级、信号级)3.PFC电感器 4.谐振电感器 5.互感器 6.驱动变压器 7.滤波电感器(输入差模、输出差模),4.器件选用指导-浸漆讨论,浸漆的作用是什么呢?答:浸漆作用是“三防”，即防尘、防腐、防潮。目前主要用的是环氧 树脂漆。为什么我们可以做到不浸漆?答:原因是1.器件需要三防处理要求降低(包括：器件发热，在风的作用下，防尘效果提高等)，2.利于器件散热需要。什么条件下的器件需要浸漆，或不需要浸漆?主要目的又是什么?答:在交变磁场较大的条件下，例如-输入差模电感器、谐振电感器、PFC电感器等。主要目的是防止器件绕组线匝间短路与噪声问

23、题。,4.器件选用指导变压器,1.变压器(包括辅助电源变压器)影响变压器性能因素：A.绕制结构-影响磁动势的分布，从而导致漏感、输出绕制电压的稳定 B.磁材-不同功率磁芯选用，直接影响磁芯的损耗，从而导致工作状态不稳定 C.线材-趋肤效应，导致线包温度过高，工作降额过低导致可靠性与寿命达不到设计要求 影响模块中的器件因素：D.安规距离-不足时将导致安全隐患 E.加工工艺-超出骨架允许规格，导致生产困难与模块器件间干涉,4.器件选用指导变压器,2.变压器设计的原则 Fe LossCu Loss 磁芯功率(方波)：P=4f N*dB*Ae*I*10-6 f:工作频率(kHz),N:原边匝数(T),

24、dB:设计的磁通密度(mT),Ae:磁芯截面积(mm2),I:原边电流(A)；P:功率(W),4.器件选用指导变压器,科学方案：通过磁芯的截面积与窗口面积设计，公式 Ku*AP=Ku*AwAe=Po*Ton/(dB*JPri)+Po*Ton/(dB*JSec)Ku：绕制窗口面积占用系数，取0.70.8 Max.,P:功率(W),Ton:电压开通时间(s),Ae:磁芯截面积(cm2),Aw:磁芯窗口面积(cm2),AP值为cm4 JPri JSec:原边或副边的电流密度(A/cm2),dB设计的磁通密度(T),当工作时为双向矩形波电压时，dB=2Bm 当工作时为单向矩形波电压时，dB=Bm-Br

25、(Br通常认为是0)Bm为工作的磁通密度,4.器件选用指导变压器,3.绕制结构的处理方案 不同的绕制结构的变压器性能差异:磁动势(mmf),NI值 降低绕组间的磁动势差，即可有效降低绕组间的邻近效应，(邻近效应是由邻近导体的交变磁场在某一导体中引起的涡流效应。通常绕组是用若干平行排列的导体绕制的，因此邻近效应可看成整个绕组的磁场对一导体引起的涡流效应。位于磁场中的绕组或导体，不管它们本身原来是否载流，都将引起涡流效应。若它们原来有电流通过，则由涡流引起的损耗将与导体本身的损耗相叠加，从而总的损耗增加。)要点:1 将绕组的匝数分成二半或多半；2 将通过绕组的电流I多次分流；,4.器件选用指导变压

26、器,4.器件选用指导变压器,安培定律MMF示意图,4.器件选用指导变压器,4.器件选用指导变压器,4.器件选用指导变压器,1 变压器原边与副边采用的夹绕方式，有效降低绕组间邻近效应；2 原边距离工作二个副边的距离相同,输出电压更一致；3 原边绕组作屏蔽接地，降低原副边耦合电容，模块噪声影响小；绕制要点:在绕制区域内，1 若能整列排绕为层者须整列排绕；2 若绕组空间不能占满绕制区域的，须均匀分布于一层内；3 若多绕组在同一绕制区域内，要不并列绕制，要不控制绕组的分配空间；说明:绕制区域是指骨架上下二档空之间的范围。,4.器件选用指导变压器,5.磁芯材质的选型方案 我们目前通用的材质，以TDK的磁

27、材作为代表(以相当材质)，PC40、PC44、PC50 对应的厂家分别型号 FDK 6H20 7H10 TDG TP4、TP4A(TP4S)Siemens N67、N87 Philps 3C90、3F3 TOKIN 2500B2,4.器件选用指导变压器,6.安规控制要求 安规距离的控制部份(按工作电压与绝缘强度划分)1 原副边爬电距离 2 磁芯与副边之间的空间与爬电距离 3 磁芯与PCB板空间距离 4 原副边、原边与磁芯、副边与磁芯电气强度,4.器件选用指导共模电感器,共模电感器(输入级、输出级、信号级)共模电感器是抑制传导干扰共模噪声的主要器件，它是利用同相位的二个绕组绕制在同一磁芯上，在共

28、模噪声通过时，二绕组的磁通相互增加(振幅磁导率)，绕组阻抗(电感量)增大，从而起到抑制共模噪声的效果。(LI=N)按转折频率fR进行电感量计算(fR=1/2*(LCMCY)1/2)。共模用磁芯材质MnZn R5K、R7K、R10KNiZn T5(1000ui)、T6(2000ui)非晶 Fe基超微晶例:500F(VAC),4.器件选用指导共模电感器,1.影响共模电感器性能因素：绕制结构无论多么对称绕制，差模分量仍存在；磁材性能居里温度低，工作磁密变化大；(铁氧体:200mT 100,Fe基非晶:200)2.绕制结构方案 3.磁材性能控制方案 铁氧体:最高工作温度130 Fe基超微晶:最高工作温

29、度105(外壳的温度影响)对称性，差模分量5uH,4.器件选用指导共模电感器,4.共模用磁材选型要求 高磁导率、宽频率(与绕制的匝间电容有关)；MnZn磁导率5K(1kHz500kHz)、磁导率7K(1kHz400kHz)、磁导率10K(1kHz300kHz)NiZn-磁导率1K/2K(100kHz300MHz)Fe基超微晶-磁导率10K(50Hz100kHz)(绕制时层数越少，匝间电容就越少，工作频率也就越宽；二绕组并绕更能降低差模分量，抗干扰效果更好；线材使用PEW，针孔更少，机械强度更大，有效防止绕制出现的匝间短路。),4.器件选用指导共模电感器,5.共模电感器的损耗 主要以铜损为主，温

30、升的估算公式(自然冷):dT=PCu/Aw0.833；dT:温升();Pcu:铜损(mW);Aw:绕组表面积(cm2),4.器件选用指导PFC电感器,PFC电感器 使用于功率因数校正器(PFC)中的电感器。输入电流被PWM调制后，通过PFC电感器及控制，使原来呈脉冲状的波形，调制成接近正弦波(含有高频纹波)的波形。用于PFC电感器的磁芯材料 MnZn功率铁氧体PC40(或相当材质)FeSiAl Super-MSS、Kool M、SA-60、DF-60(FeSi)MPP High Flux(HF),4.器件选用指导PFC电感器,1.影响PFC电感器性能因素：电感量在电流下的跌落-跌落越大，正弦波

31、形就越畸变，磁芯损耗也就越大；磁材-磁材的自身单位损耗越大，器件的温升就越高；2.磁芯损耗分析 在同等粉芯材料下，颗粒越小，磁材的有效磁导率就越低，损耗也就越低；工作频率越高，粉芯磁材的损耗也就高；dB越大，损耗就越大；不同粉芯材料，在不同频率下的相同条件下的损耗是有很大差异，若将铁氧体的损耗作为1单位，则有下表的损耗对比,4.器件选用指导PFC电感器,3.电感量的计算 L=1.414*Vmin*D/(f*dI)Vmin:输入电压最小值(V),D:占空比；f:工作频率(Hz);dI:电流纹波(A);L:电感量(H)(输入电压最小值时对应的PFC电感平均电流的最大值)4.磁芯损耗计算 BOOST

32、校正电路的PFC电感，其交变磁通密度的变化量为 dB=0e*n*dI/l,交变磁密的峰值为Bpk=dB/2 通过磁芯手册查对应Bpk下的工作频率的磁芯损耗值Pv(mW/cm3)则磁芯损耗为PFe=Pv*磁芯体积,4.器件选用指导PFC电感器,4.器件选用指导PFC电感器,4.器件选用指导PFC电感器,4.器件选用指导PFC电感器,5.PFC电感器用磁材选型要求 PFC电感器即要能通过较大的峰值电流，又要能储存较多的能量，1 高饱和磁通密度；2 低损耗；6.适用于PFC电感器的磁材 MMG DF60(850mW/cm3 50kHz 1000Gauss)TDK PC40、PC44铁氧体(410mW

33、/cm3 100kHz 2000Gauss)Arnold Magnetic MMP 60、-26;Kool M(损耗参考曲线)上钢所 SA-60,4.器件选用指导PFC电感器,7.PFC电感器的损耗 铁损PFe+铜损Pcu 最佳设计-铁损:铜损=2：8 温升的估算公式(自然冷):dT=(PFe+Pcu)/Aw0.833；dT:温升();Pcu:铜损(mW);Aw:绕组表面积(cm2),4.器件选用指导谐振电感器,谐振电感器 用于无损吸收电路中，与电容组成的LC电路的电感器，将无功能量反馈于电网。用于谐振电感器的磁芯材料 PC40、PC44铁氧体相当材质 MMP 60、-26;(-26材的直流偏

34、置能力比-60强),4.器件选用指导谐振电感器,1.影响谐振电感器性能因素：电感量在电流下的跌落-跌落越大，无损吸收效果就越差，磁材-磁材的自身单位损耗越大，器件的温升就越高；,4.器件选用指导谐振电感器,2.谐振电感器用磁材选型要求 谐振电感器要通过可能大的交变电流，又要能储存可能多的能量 1 高饱和磁通密度，要求额定直流偏置的电感量变化小；2 损耗要求最严酷，要求器件的有功损耗最低；3.适用于PFC电感器的磁材 TDK PC40、PC44铁氧体相当材质(410mW/cm3 100kHz 2000Gauss)Arnold Magnetic MMP 60、-26,4.器件选用指导谐振电感器,4

35、.绕制结构方案 当使用铁氧体一类作为磁材选用时，必然气隙很大。在由于磁芯的交变磁场很大，气隙中的交变漏磁通，将对线包中的气隙附近的部份产生的涡流损耗也将很大，故此在绕制结构中，我们采用以下方案，参考以下要求进行说明 骨架开模，将绕组分上下二组，气隙通过垫气隙处理，降低磁芯 避开气隙 中柱气隙长度,4.器件选用指导谐振电感器,5.加工工艺处理方案 1 骨架开模，将绕组分上下二组，避开气隙 2 气隙通过垫气隙处理中柱气隙长度 3 磁芯通过点胶固定，使磁芯不包胶带，利于散热 4 线材采用细线材0.10或以下的多股线，最大程度地减少集肤效应与气隙涡流效应的影响 5 绕组不包胶带，只处理绕组与磁芯的绝缘

36、，以便于绕组的散热；,4.器件选用指导电流互感器,电流互感器 用于电流采样用的器件，按匝比值将大电流转换成小电流与小功率信号。用于电流互感器的磁芯材料 TDK PC40、PC44铁氧体或相当材质 R5K、R7K高磁导率材料 Z11材质 0.3mm厚,4.器件选用指导电流互感器,1.电流互感器的设计要求磁芯截面积的选取 Ae=Is(Ro+Rs)*106/(K*Nsec*f*Bm)Ro:副边的取样电阻值(ohm),Rs:副边的内阻值(ohm),K取4.0;Nsec:副边匝数 f:工作频率(kHz),Bm:工作磁密(mT);Ae:磁芯截面积(mm2)取样电阻与副边内阻值的总值必须满足精度设计要求,4

37、.器件选用指导电流互感器,2.影响电流互感器性能因素：磁芯磁导率-磁导率低，原副边的耦合不完善，影响精度；磁芯剩磁-影响电流互感器的反应时间；3.电流互感器用磁材选型要求 采用饱和磁应强度Bs高，剩余磁感应强度Br低，矫顽力Hc尽量小的磁性材料。,4.器件选用指导驱动变压器,驱动变压器 用于电路隔离，驱动控制电路等用途的变压器。1.磁芯外形选取 要求:原副边绕组耦合要高，副边多路的电压输出差异才能小，故此 磁芯外形:GU(罐形)EPPQEREE2.绕制结构 要求:线匝间耦合要高，副边多路的电压输出差异才能小，故此 工艺:原副边绕组并绕,4.器件选用指导滤波电感器,滤波电感器(输入差模、输出差模

38、)用于输入滤波、差模、输出滤波等的位置，对交流进行整形用途的器件。1.器件功耗 以铜损为主2.增加的磁材选型 铁粉芯-52、-26,4.器件选用指导滤波电感器,3.设计要点:直流滤波电感器的电感量设计要求(恒定负载),由于磁芯的有效磁导率在随着直流偏置下是会小,即电感量小，故此 设计计算的值应是在输出电流加载前提下保证的最小电感量。不论是MnZn的功率铁氧体、还是粉芯类的滤波电感器，均要确认在直流偏置下的磁导率变化后的电感量，,5.失效分析,失效模式1.匝间/层间短路-例:过压、绝缘材料性能下降2.引出线短路-例:磁性元件来料不良3.绕组间短路-例:磁性元件设计不良4.绕组与地短路-例:引出线与铁芯之间短路5.各种开路-例:引出线机械(热)老化6.性能劣化-例:绝缘劣化、过温、磁芯工作温度过高7.噪声-例:磁芯开裂/内部有气隙,6.业界发展趋势,业界发展趋势,Thanks!Q&A,