变压器设计与材料选择课件.ppt

《变压器设计与材料选择课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《变压器设计与材料选择课件.ppt（66页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

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,Magnetic circuit,磁路,Electric circuit,电路,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

2、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

3、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,B,B,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：

4、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

5、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*fi,1.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

6、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)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,

7、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,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Aw,X,=AP,2.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,f.B:Material performance factor,22000HzT,32000HzT,23000HzT,35000HzT,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

8、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Iin,3.预计算原边电流脉冲Ipk,Ipk,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/40

9、0KHz=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,6.AP计算:,磁心的选择,d.跟据AP选择铁心,1.常用铁心形状A,EE,EFD,ER,EC,ETD,PQ,RM,磁心的选择,d.跟据AP选择铁心,1.常用铁心形状B,EQ,PJ,Planar EE,磁心的选择,d.跟据AP选择铁心,2.选择铁心,选择条件：1.forward 2.假设限高30mm 3.要求高功率密度

10、,跟据下表选择PQ26/25或者RM12/I,BBN绕线空间,BBN绕线空间,PQ26/25,RM12/I,13.55x4.1,14x5.2,圈数的计算与选择,1.原边圈数的计算.,Ae=120mm2,Bac=136mT,Ae=146mm2,Bac=136mT,2.副边圈数的计算.,.复算确认原边圈数.,圈数的计算与选择,.原边无气隙电感的计算.,MPL=57.3mm,Ae=146mm2,Bac=136mT,.变压器的变比.,.实际最大占空比.,D最大值满足要求,D最大值处于临界,绕组的计算与选择,.趋肤深度的计算.,穿入后衰减,a,a/e,均匀介质,波,透入深度penetration dep

11、th d,理论上的定义,x,i(t),D=1mm,0,L,I=50A,f=100KHz,|J|,x,在导线中的现像：当传输交流电时，导线表面电流密度大而中间电流密度小，频率越高现像越明显当减小的表面电流的1/e的位置，称为趋肤深度skin depth,100度时铜的电阻率为2.275x10-8,真空磁导率为4px10-7,绕组的计算与选择,.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/cm2,3.导线类别和线包结构的初选.,原边线径,单心线0.5mm,多股线0.1x25C,副边线径,TIW 0.9mm,铜箔绕组:宽度1

12、0mm,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,绕组的计算与选择,4.通过一维计算确定导线的优化条件.,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.,绕组的计算与选择,6.导线的选择与排布.,1

13、3.55,4.1,0.1x25c,线径约0.65mm每层可布20圈，共布2层余4圈总厚0.65x3=1.95mm,0.5,线径约0.55mm每层可布24圈，共布2层少4圈总厚1.1mm,0.9TIW,线径约1.15mm每层可布11圈，一层布完总厚1.15mm,0.12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,总厚度3.76mm,组合2,0.5+0.9TIW,sandwich,总厚度2.91mm,14,5.2,0.1x25c,线径约0.65mm每层可布21圈，共布2层少7圈总厚0.65x2=1.

14、3mm,0.5,线径约0.55mm每层可布25圈，共布2层少15圈总厚1.1mm,0.9TIW,线径约1.15mm每层可布12圈，一层布完总厚1.15mm,0.15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2,0.5+0.9TIW,sandwich,总厚度2.91mm,组合3,0.1x25c+0.15铜,sandwich,总厚度5.53mm,组合4,0.5+0.15铜,sandwich,总厚度5.33mm,绕组的计算与选择,7.线包结构.,Top,Bottom,P绕组1,24Ts,0

15、.5,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2,20Ts,0.1x25c,实际厚度约0.5mm,PQ2625 组合2RM12/I 组合1,Top,Bottom,P绕组1,21Ts,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2,14Ts,0.1x25c,实际厚度约0.

16、65mm,绕组的计算与选择,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,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

17、loss却有好处,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.,漏感的估算,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,Hmax,H=0,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)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,13.5

18、5,2.74,0.5x24T,0.9x9T,0.5x20T,磁心对称轴,7.1,0.42,0.42,H,24AT,-20AT,14,3.04,0.65x21T,0.9x7T,0.65x14T,磁心对称轴,7.3,0.42,0.42,H,21AT,-15AT,H1,H2,x1 x2 x3 x4 x5 x6,x,x,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,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.从电路引入的设计参数,2.磁性元件的一些常规设计参

19、数,Flyback的工作模式,1.FLYBACK的工作原理,*,*,Vin,Lk,Lm,Tx,ip,im,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,上述模式均指的是Lm的工作状态,im,CCM,DCM,im,DCMB,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Iin,3.预计算原边电流峰值Ipk,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,7.

20、计算AP,6.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,跟据下表选择PJ3018,选择条件：1.flyback 2.假设限高20mm 3.要求高功率密度 4.无风,BBN 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=150V,Diode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.,

21、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.,P绕组1,14Ts,0.1x30c,实际厚度约0.75mm,P-S绕组间绝缘和Shielding共

22、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.,3.

23、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,10.7,4.49,0.75x14T,0.8x7T,0.75x17T,磁心对称轴,7,0.42,0.42,H,14AT,-17AT,x,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

24、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：,PS1Aux(S2),Aux,Sec,Pri,Good couple,Bad couple,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,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Iin,3.预计算原边电流脉冲Ipk,4.预计算原边电流有效值Iprms,1.输出功率Po,6.计算AP,5.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=

25、0.2017,铁心的选择,跟据AP选择铁心,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,PQ3230BBN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=71.8mm,Ae=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

26、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.,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0.95mm,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

27、,实际厚度约1.0mm,S1 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.,0.1x50C+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,0.8TIW+0.6X5 3组Interleaving结构,原边等效电阻,副边直流电阻,副边等效电阻,绕组损耗,原边直流电阻,变压器的其它性能参数,.铁心损耗.,2.变压器总损耗耗.,3.变压器损耗比重.,4.漏感的估算.,变压器的其它性能参数,4.漏感的估算 常规结构.,

28、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,18.5,3.44,0.95x14T,0.2x2T,0.95x14T,磁心对称轴,7.95,0.42,0.42,H,14AT,-14AT,x,变压器的其它性能参数,4.漏感的估算 interleaving结构.,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,5,0.8x7T,0.6x2T,磁心对称轴,10,0.7,H,7AT,-7/3AT,x,7/3AT,-7AT,14/3AT,-14/3AT,层叠的interle

29、aving结构漏感较常规sandwich绕组还要大，因此并不是说interleaving 漏感一定较sandwich小,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3.漏感大小的影响因素4.Flyback辅助输出的电压,变压器损耗的最优条件,变压器的电路模型,变压器的电路等效模型,Pw,Pc,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,Vo,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:,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=0.61*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,Hmax,H=0,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,Hmax,H=0,Ww,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),