第4章 开关电源中的高频磁元件的设计.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电力电子技术,第,4,章,高频开关电源中的磁元件设计,1,2,3,磁性材料的概述,高频变压器设计方法,磁性材料及铁氧体磁性材料,基本内容,这里讨论的磁性元件是指绕组和磁芯。绕组可以是一个绕组，也可以是两个或多个绕组。它是储能、转换及隔离所必备的元件。常把它作为变压器或电感器使用。,当变压器用，可起作用为：,1),电气隔离；,2),变比不同，达到电压升、降；,3),大功率整流副边相移不同，有利纹波系数减小；,4),磁耦合传送能量；,5),测量电压、电流。,当电感器用，可起作用为：,1),储能、平波、滤波；,2),抑制尖峰电压或电流，保护易受电压、电流损坏的电子元件；,3),与电容器构成谐振，产生方向交变的电压或电流。,目录,4,.1磁性材料的概述,4.1.1磁元件在开关电源中的作用,4,.1.2磁性元件对设计的重要意义,4,.1.3 磁性材料的磁化,4,.1.,4,磁性材料的基本特性,4,.2 磁性材料及铁氧体磁性材料,4,.3高频变压器设计方法,4.1.1,磁元件在开关电源中的作用,4.1.2,磁性元件对设计的重要意义,磁性元件是开关变换器中必备的元件。但又不易透彻掌握工作情况,(,包括磁材料特性的非线性，特性与温度、频率、气隙的依赖性和不易测量性,),。在选用元件时，不像电子元件可以有现成成品选择。绝大多数磁性元件都是要自行设计，主要是变压器和电感器涉及的参数太多，例如：电压、电流、频率、温度、能量、电感量、变比、漏电感、磁材料参数、铜损耗、铁损耗等等。磁材料参数测量因难，也增加了人们的困惑感。绝大多数磁元件要自行设计，或提供参数委托设计、加工。,目录,4,.1磁性材料的概述,4.1.1磁元件在开关电源中的作用,4.1.2磁性元件对设计的重要意义,4,.1.3 磁性材料的磁化,4,.1.,4,磁性材料的基本特性,4,.2 磁性材料及铁氧体磁性材料,4,.3高频变压器设计方法,4.1.3,磁性材料的磁化,物质的磁化需要外磁场。相对外磁场而言，被磁化的物质称为磁介质。将铁磁物质放到磁场中，磁感应强度显著增大。磁场使得铁磁物质呈现磁性的现象称为铁磁物质的磁化。铁磁物质之所以能被磁化，是因为这类物质不同于非磁物质，在其内部有许多自发磁化的小区域,磁畴。在没有外磁场作用时，这些磁畴排列的方向是杂乱无章的,(,图,5-1(a),，小磁畴间的磁场是相互抵消的，整个磁介质,对外,不呈现磁性。如给磁性材料加外磁场，材料中的磁畴顺着磁场方向转动，加强了材料内的磁场。随着外磁场加强，转到外磁场方向的磁畴就越来越多，与外磁场同向的磁感应强度就越强,，,如图,5-1(b),（,d,）所示,，这就是说材料被磁化了。,目录,4,.1磁性材料的概述,4.1.1磁元件在开关电源中的作用,4.1.2磁性元件对设计的重要意义,4.1.3 磁性材料的磁化,4,.1.,4,磁性材料的基本特性,4,.2 磁性材料及铁氧体磁性材料,4,.3高频变压器设计方法,(a)(b)(c)(d),图,5-1,铁磁物质磁化,过程中的,磁畴排列,4.1.3,磁性材料的磁化,目录,4,.1磁性材料的概述,4.1.1磁元件在开关电源中的作用,4.1.2磁性元件对设计的重要意义,4.1.3 磁性材料的磁化,4,.1.,4,磁性材料的基本特性,4,.2 磁性材料及铁氧体磁性材料,4,.3高频变压器设计方法,1,、磁性材料的磁化过程,如将完全无磁状态的铁磁物质放在磁场中，磁场强度从零逐渐增加，测量铁磁物质的磁通密度,B,，得到磁通密度和磁场强度,H,之间关系，并用,B,-,H,曲线表示，该曲线称为磁化曲线，如图,5,-,2,曲线,C,所示。,图,5-2,铁磁物质的磁化特性,4.1.3,磁性材料的磁化,目录,4,.1磁性材料的概述,4.1.1磁元件在开关电源中的作用,4.1.2磁性元件对设计的重要意义,4.1.3 磁性材料的磁化,4,.1.,4,磁性材料的基本特性,4,.2 磁性材料及铁氧体磁性材料,4,.3高频变压器设计方法,当磁介质置于磁场中，外磁场较弱时，随着磁场强度的增加，与外磁场方向相差不大的那部分磁畴逐渐转向外磁场方向（图,5-1,（,b,），磁感应,B,随外磁场增加而增加,(,图,5-2,中,oa,段,),。如果将外磁场,H,逐渐减少到零时，,B,仍能沿,ao,回到零，即磁畴发生了“弹性”转动，故这一段磁化是可逆的。,当从磁场继续增大时，与外磁场方向相近的磁畴已经趋向于外磁场方向，那些与磁场方向相差较大的磁畴克服“摩擦”，也开始转向外磁场方向（图,5,-,1,（,c,），因此磁感应,B,随,H,增大急剧上升，如磁化曲线,ab,段。如果把,ab,段放大了看，曲线呈现阶梯状，说明磁化过程是跳跃式进行的。如果这时减少外磁场，,B,将不再沿,ba,段回到零，过程是不可逆的。,4.1.3,磁性材料的磁化,目录,4,.1磁性材料的概述,4.1.1磁元件在开关电源中的作用,4.1.2磁性元件对设计的重要意义,4.1.3 磁性材料的磁化,4,.1.,4,磁性材料的基本特性,4,.2 磁性材料及铁氧体磁性材料,4,.3高频变压器设计方法,2,、饱和磁滞回线,如果将铁磁物质沿磁化曲线,OS,由完全去磁状态磁化到饱和,B,s,（如图,5-3,所示），此时如将外磁场,H,减小，,B,值将不再按照原来的初始磁化曲线,(0S),减小，而是更加缓慢地沿较高的,B,减小，这是因为发生刚性转动的磁畴保留了外磁场方向。即使外磁场,H,=0,时，,B,0,，即尚有剩余的磁感应强度,B,r,存在。这种磁化曲线与退磁曲线不重合特性称为磁化的不可逆性。磁感应强度,B,的改变滞后于磁场强度,H,的现象称为磁滞现象。,图,5-3,磁芯的磁滞回线,4.1.3,磁性材料的磁化,目录,4,.1磁性材料的概述,4.1.1磁元件在开关电源中的作用,4.1.2磁性元件对设计的重要意义,4.1.3 磁性材料的磁化,4,.1.,4,磁性材料的基本特性,4,.2 磁性材料及铁氧体磁性材料,4,.3高频变压器设计方法,1,、初始磁导率,初始磁导率是磁性材料的磁化曲线始端磁导率的极限值，即：,式中,m,0,真空磁导率,(4,p,10,7,H/m),；,H,磁场强度,(A/m),；,B,磁感应强度,(T),。,2,、有效磁导率,m,r,在闭合磁路中，或多或少地存在着气隙，若气隙很小可以忽略，则可以用有效磁导率来表征磁芯的导磁能力,:,式中,L,线圈的自感量,(mH),；,N,线圈匝数；,l,/,A,e,磁芯常数，是磁路长度与磁芯截面积,A,e,之比值,(,mm,-,1,),5-1,5-2,4.1.,4,磁性材料的基本特性,目录,4,.1磁性材料的概述,4.1.1磁元件在开关电源中的作用,4.1.2磁性元件对设计的重要意义,4,.1.3 磁性材料的磁化,4.1.4 磁性材料的基本特性,4,.2 磁性材料及铁氧体磁性材料,4,.3高频变压器设计方法,3,、饱和磁感应强度,B,S,随磁芯中磁场强度,H,增加，磁感应强度出现饱和时的,B,值，称饱和磁感应强度,B,s,(mT),(,如图,5,-,3,所示,),。,4,、剩余磁感应强度,B,r,磁芯从磁饱和状态去除磁场后，剩余的磁感应强度,(,或称残留磁通密度,),(,如图,5,-,3,所示,),。,5,、矫顽力,H,C,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,(,或保磁力,),(,如图,5,-,3,所示,),4.1.,4,磁性材料的基本特性,目录,4,.1磁性材料的概述,4.1.1磁元件在开关电源中的作用,4.1.2磁性元件对设计的重要意义,4,.1.3 磁性材料的磁化,4.1.4 磁性材料的基本特性,4,.2 磁性材料及铁氧体磁性材料,4,.3高频变压器设计方法,图,5-3,磁芯的磁滞回线,6,、温度系数,a,m,温度系数为温度在,T,1,至,T,2,范围内变化,1,o,C,时，每相应磁导率的相对变化量，即,m,1,温度为,T,1,时的磁导率；,m,2,温度为,T,2,时的磁导率,7,、居里温度,Tc,在该温度下磁芯的磁状态由铁磁性转变成顺磁性。其定义如图,5,4,所示，即在,m,T,曲线上，,80,m,max,与,20,m,max,连线与,m,=1,的交叉点相对应的温度，即为居里温度,T,c,。,图,5-4,居里温度,Tc,定义图,4.1.,4,磁性材料的基本特性,目录,4,.1磁性材料的概述,4.1.1磁元件在开关电源中的作用,4.1.2磁性元件对设计的重要意义,4,.1.3 磁性材料的磁化,4.1.4 磁性材料的基本特性,4,.2 磁性材料及铁氧体磁性材料,4,.3高频变压器设计方法,8,、磁芯损耗,(,铁损,)Pc,磁芯损耗包括：磁滞损耗、涡流损耗、残留损耗。,磁滞损耗,是交流磁化,所消耗的能量，表为,作为工程计算，可用式 计算。,其中：,f,频率；,B,m,最大磁通密度,；,C,h,磁滞损耗系数,，因材质而异。,涡流损耗是交变磁场在磁芯中产生环流引起的欧姆损耗，表,为,其中,Ce,磁滞损耗系数，大小取决于材料电阻率。,残留损耗是由磁化延迟及磁矩共振等造成，前两项是主要的。,5-3,4.1.,4,磁性材料的基本特性,目录,4,.1磁性材料的概述,4.1.1磁元件在开关电源中的作用,4.1.2磁性元件对设计的重要意义,4,.1.3 磁性材料的磁化,4.1.4 磁性材料的基本特性,4,.2 磁性材料及铁氧体磁性材料,4,.3高频变压器设计方法,9,、电感系数,A,L,电感系数是磁芯上每一匝线圈产生的自感量，即,式中：,L,有磁芯的线圈的自感量,(H),N,线圈匝数。,4.1.,4,磁性材料的基本特性,目录,4,.1磁性材料的概述,4.1.1磁元件在开关电源中的作用,4.1.2磁性元件对设计的重要意义,4,.1.3 磁性材料的磁化,4.1.4 磁性材料的基本特性,4,.2 磁性材料及铁氧体磁性材料,4,.3高频变压器设计方法,4.2.1,、磁芯磁性能,各种磁芯材质表面虽相似，但磁性能可能有极大差别。开关电源高频变压器磁芯多是低磁场下使用的软磁材料，它有较高磁导率，低的矫顽力，高的电阻率。磁导率高，在一定线圈匝数时，通过不大的激磁电流就能有较高的磁感应强度，线圈就能承受较高的外加电压，因此在输出一定功率要求下，可减轻磁芯体积。磁芯矫顽力低，磁滞回环面积小，则铁耗也小。高的电阻率，则涡流小，铁耗小。金属软磁材料在开关电源中用得较少，只是如铁,镍合金、铁,铝合金薄片的铁芯基本合适。有一种软磁材料是铁氧体，铁氧体是复合氧化物烧结体，电阻率很高，适合高频下使用，但,B,s,值比金属软磁材料小得多，较普遍使用在开关电源中。在设计时必须从选择合适的磁芯材料开始。各种铁芯材料之特性比较如下表所示。,目录,4,.1磁性材料的概述,4,.2 磁性材料及铁氧体磁性材料,4.2.1磁芯磁性能,4.2.2,磁芯结构,4,.3高频变压器设计方法,类别,名称,材料,导磁率,m,r,Bs,（,Gs,）,（,kHz,）,特点,说明,金属铁芯,硅钢片,(silicon steel),Si,Fe,1800,20000,约,10,除坡莫合金外，余皆高磁感应强度。除非晶合金外，宜,30kHz,以下使用，这些材料电阻率低,坡莫合金,(permalloy,）,Ni,Fe,20000,7500,约,30,超级坡莫合金（,supermalloy,）,Ni,Fe,100000,7800,约,30,钴铁合金,(permendur),Co,Fe,800,24500,约,30,非晶合金,(Amorphous),Fe(Ni,Co),100000,15000,约,1000,铁粉磁芯,碳基铁粉芯,(carbony Iron),Fe,3,120,约,9000,约,300000,低导磁率，高磁感应强度，低损失，宜中、高频使用,铝硅铁粉芯,(Sendust),Al,Si,Fe,10,80,约,9000,约,1000,坡莫合金铁粉芯,Mo,，,Ni,，,Fe,14,145,约,8000,约,300,铁氧体磁芯,锰锌铁氧体（,Mn,Zn Ferrite,）,Mn,，,Zn,，,Fe,1000,18000,约,5000,约,1000,锰锌铁氧体导磁率高，,磁感应强度,小等，电阻率高，损失低，价格低宜高频使用,镍锌铁氧体,(Ni,Zn Ferrite),Ni,，,Zn,，,Fe,15,500,约,3000,约,100000,铜镁锌铁氧体（,Cu,Mg,Zn Ferrite,）,Cu,，,Mg,，,Zn,，,Fe,约,10,约,200000,4.2.1,、磁芯磁性能,目录,4,.1磁性材料的概述,4,.2 磁性材料及铁氧体磁性材料,4.2.1磁芯磁性能,4.2.2,磁芯结构,4,.3高频变压器设计方法,基本结构有：叠片，通常由硅钢或镍钢薄片冲剪成,E,、,I,、,F,、,O,等形状，叠成一个铁芯；环形铁芯,(toroid),，由,O,型薄片叠成，也可由窄长的硅钢、合金钢带卷绕而成，此形铁芯，绕线困难；,C,形铁芯，此种铁芯可免去环形铁芯绕线困难的缺点，由二个,C,型铁芯对接而成。因此，可用机械绕线，线圈也可填满整个窗口；罐形,(POT),铁芯，它是磁芯在外，铜线圈在里，免去环形线圈绕线不便的一种结构形式，可以减少,EMI,。缺点是内部线圈散热不良，温升较高，因此只在小功率变换器中使用。,如果把罐形铁芯外园切掉一部分，则变成通风良好，从而解决温升过高的问题。从改善通风出发因而有图,5,-,5,所示的各种磁芯形式。,4.2.2,、磁芯结构,目录,4,.1磁性材料的概述,4,.2 磁性材料及铁氧体磁性材料,4.2.1磁芯磁性能,4.2.2磁芯结构,4,.3高频变压器设计方法,图,5-5,为解决,PQ,型散热出现的各种铁芯示意图,4.2.2,、磁芯结构,目录,4,.1磁性材料的概述,4,.2 磁性材料及铁氧体磁性材料,4.2.1磁芯磁性能,4.2.2磁芯结构,4,.3高频变压器设计方法,4,.3 高频变压器设计方法,设计变压器时，应当预先知道电路拓扑、工作频率、输入和输出电压、输出功率或输出电流以及环境条件。同时还应当知道所设计的变压器允许多大损耗。总是以满足最坏情况设计变压器，保证设计的变压器在规定的任何情况下都能满意工作。,变压器的设计主要就是指变压器磁芯选择（形状、磁芯截面、窗口截面）和绕组设计（匝比、匝数、导线截面积等）,目录,4,.1磁性材料的概述,4,.2 磁性材料及铁氧体磁性材料,4.3高频变压器设计方法,4.3.1,匝数和匝比选取,初级一般电压较高，调整初级匝数和匝比不困难。次级一般匝数较少，工作频率越高，次级有可能只有一匝，甚至少于一匝，如果取整，带来很大匝比误差，同时引起相关问题。,在输出电压比较低时，例如,5V,，甚至,1V,左右，限制了匝数和匝比的选择。,5V,输出次级可能是,1,匝或,2,匝，每个线圈阶差,1,或,2,匝。计算结果,1.5,匝，取整可能选择,2,匝，为保持原来的匝比，所有线圈匝数增加,25,。相同尺寸的磁芯和窗口，要在原来的窗口中绕不下总线圈,。如果加大,了电流密度,，则大大,增加了线圈损耗。反之，选择,1,匝，但磁芯中的磁通密度增加,1/3,，磁芯损耗可能增加一倍。,目录,4,.1磁性材料的概述,4,.2 磁性材料及铁氧体磁性材料,4.3高频变压器设计方法,4.3.1匝数和匝比选取,4.3.2高频变压器磁芯选择,4.3.3正激变换器磁芯尺寸计算,4.3.4推挽变换器磁芯尺寸计算,4.3.5半/全桥变换器磁芯尺寸计算,4.3.6 常见磁芯的结构参数,4.3.7线圈,4.3.8集肤效应,4.3.9计算线圈电流有效值,4.3.10线圈导线的选择,4.3.11变压器设计基本步骤,4.3.12单端正激变压器的电路和波形,4.3.1,匝数和匝比选取,虽然没有通用的快速的选择每个线圈最优匝数的方法，但有一般规律可循。首先，决定额定,U,i,D,时达到希望输出电压的线圈之间的理想匝比。接着，在选择某磁芯尺寸后，求得匝比和匝数，但不是实际需要的整数。在取整数匝前最好折衷处理，试试几个可能。从最低电压次级开始，因为小的数字整数化百分比最大。特别是如果低输出电压的次级输出最大负载功率，而主控制回路调节的也是低压输出，最低电压次级匝数上升或下降对整个线圈影响最大。匝数下降将增加磁芯损耗，上升将增加线圈损耗。如果增加的损耗太大，必须重新选择磁芯，以便仅需要很少变动就可调整到整数匝。,目录,4,.1磁性材料的概述,4,.2 磁性材料及铁氧体磁性材料,4.3高频变压器设计方法,4.3.1匝数和匝比选取,4.3.2高频变压器磁芯选择,4.3.3正激变换器磁芯尺寸计算,4.3.4推挽变换器磁芯尺寸计算,4.3.5半/全桥变换器磁芯尺寸计算,4.3.6 常见磁芯的结构参数,4.3.7线圈,4.3.8集肤效应,4.3.9计算线圈电流有效值,4.3.10线圈导线的选择,4.3.11变压器设计基本步骤,4.3.12单端正激变压器的电路和波形,4.3.2,高频变压器磁芯选择,（,1,）磁芯材料,功率铁氧体，高频下材料具有很高电阻率，因而涡流损耗低、价格低是高频变压器磁芯首选材料。但磁导率通常较低，磁化电流因此较大，有时需用缓冲和箝位电路处理。,对于合金材料磁芯，如钴基非晶合金和微晶合金，这些材料具有较高的电阻率，通常轧成很薄的带料，可以用在较高频率。一般合金材料虽然饱和磁通密度比铁氧体材料大得多，这通常是无关紧要的，因为磁通密度摆幅严重受涡流损耗限制。同时价格因素也影响材料的选择。在高温和冲击、振动大的地方，需采用合金材料磁芯外，一般变压器磁芯最好选择铁氧体。,目录,4,.1磁性材料的概述,4,.2 磁性材料及铁氧体磁性材料,4.3高频变压器设计方法,4.3.1匝数和匝比选取,4.3.2高频变压器磁芯选择,4.3.3正激变换器磁芯尺寸计算,4.3.4推挽变换器磁芯尺寸计算,4.3.5半/全桥变换器磁芯尺寸计算,4.3.6 常见磁芯的结构参数,4.3.7线圈,4.3.8集肤效应,4.3.9计算线圈电流有效值,4.3.10线圈导线的选择,4.3.11变压器设计基本步骤,4.3.12单端正激变压器的电路和波形,4.3.2,高频变压器磁芯选择,（,2,）磁芯形状,磁芯窗口应尽可能宽。加大线圈宽度可减少线圈的层数。使交流电阻,Rac,和漏感减少。还有，固定的爬电尺寸对宽窗口影响较小。宽窗口需要线圈高度低，因此更好利用线圈窗口面积。,铁氧体磁芯有罐型,(,国产,GU,型，国际,P,型,),、,PM,、,RM,、,PQ,、,EE,、,EC,、,EP,、,ETD,、,RC,、,UU,和,UI,各种型号，以及新近发展的平面磁芯，如,EFD,EPC,LP,型等磁芯。,罐型和,PQ,型磁芯具有较小的窗口面积，窗口形状几乎是正方的。罐,(P),型和,PQ,型磁芯比,EE,磁芯有较好的磁屏蔽的优点，减少了,EMI,的传播，用于,EMC,要求严格的地方。爬电尺寸耗费了窗口面积的大部分，窗口宽度远不是最佳，只用于,125W,以下低功率场合。大功率应用散热困难。缺点是引出线缺口小，大电流出线困难。也不适宜多路输出，输出出线太多。也不宜高压应用，因为出线的安全绝缘处理困难。,目录,4,.1磁性材料的概述,4,.2 磁性材料及铁氧体磁性材料,4.3高频变压器设计方法,4.3.1匝数和匝比选取,4.3.2高频变压器磁芯选择,4.3.3正激变换器磁芯尺寸计算,4.3.4推挽变换器磁芯尺寸计算,4.3.5半/全桥变换器磁芯尺寸计算,4.3.6 常见磁芯的结构参数,4.3.7线圈,4.3.8集肤效应,4.3.9计算线圈电流有效值,4.3.10线圈导线的选择,4.3.11变压器设计基本步骤,4.3.12单端正激变压器的电路和波形,4.3.2,高频变压器磁芯选择,EE,，,EC,，,ETD,，,LP,磁芯都是,E,型磁芯。相对于外形尺寸来说有较大的窗口面积，同时窗口宽而,高度低的结构，漏磁及线圈层数少，高频交流电阻小。开放式的窗口没有出线问题，线圈与外界空气接触面大，有利于空气流通，散热方便，可处理大功率。但电磁干扰较大。,EC,，,ETD,磁芯的中柱圆形截面与,EE,型相同矩形截面积时，圆形截面每匝线圈比矩形短大约,11,，即电阻少,11,，线圈损耗和温升也相应降低。但是,EE,型磁芯尺寸齐全，根据不同的工作频率和磁通摆幅，传输功率范围从,5W,到高达,5kW,。如果将两副,EE,型磁芯合并作为一体使用，传输功率甚至可达,10kW,。两副磁芯合并使用时，磁芯面积加倍，如磁通摆幅和频率保持不变，匝数减少一半，功,率加倍比应用下一个大尺寸的磁芯体积要小。,目录,4,.1磁性材料的概述,4,.2 磁性材料及铁氧体磁性材料,4.3高频变压器设计方法,4.3.1匝数和匝比选取,4.3.2高频变压器磁芯选择,4.3.3正激变换器磁芯尺寸计算,4.3.4推挽变换器磁芯尺寸计算,4.3.5半/全桥变换器磁芯尺寸计算,4.3.6 常见磁芯的结构参数,4.3.7线圈,4.3.8集肤效应,4.3.9计算线圈电流有效值,4.3.10线圈导线的选择,4.3.11变压器设计基本步骤,4.3.12单端正激变压器的电路和波形,4.3.2,高频变压器磁芯选择,(3),磁芯尺寸选择,磁芯尺寸的选择最常用的有三种方法，第一种是先求出磁芯窗口面积,A,w,与磁芯有效截面积,A,e,的乘积,AP(AP,A,w,A,e,，称磁芯面积乘积,),。根据,AP,值，查表找出所需磁性材料之编号，谓之,AP,法；第二种是先求出几何参数，查表找出磁芯编号，再进行设计，称为,Kg,法；第三种是直接根据电路拓扑、输出功率、开关频率、磁芯材料和形状查表得出磁芯型号，为查表法。这里我们主要介绍,AP,法。,目录,4,.1磁性材料的概述,4,.2 磁性材料及铁氧体磁性材料,4.3高频变压器设计方法,4.3.1匝数和匝比选取,4.3.2高频变压器磁芯选择,4.3.3正激变换器磁芯尺寸计算,4.3.4推挽变换器磁芯尺寸计算,4.3.5半/全桥变换器磁芯尺寸计算,4.3.6 常见磁芯的结构参数,4.3.7线圈,4.3.8集肤效应,4.3.9计算线圈电流有效值,4.3.10线圈导线的选择,4.3.11变压器设计基本步骤,4.3.12单端正激变压器的电路和波形,4.3.2,高频变压器磁芯选择,AP,法经验公式：,其中,P,o,输出功率,(W),；,D,B,磁通密度变化量,(T),；,f,S,变压器工作频率,(Hz),；,K,0.014,（正激变换器，推挽中心抽头）,0.017,（全桥，半桥）。,公式是基于线圈电流密度,420A/cm2,，并假定窗口充填系数是,40,。,cm,4,5-5,目录,4,.1磁性材料的概述,4,.2 磁性材料及铁氧体磁性材料,4.3高频变压器设计方法,4.3.1匝数和匝比选取,4.3.2高频变压器磁芯选择,4.3.3正激变换器磁芯尺寸计算,4.3.4推挽变换器磁芯尺寸计算,4.3.5半/全桥变换器磁芯尺寸计算,4.3.6 常见磁芯的结构参数,4.3.7线圈,4.3.8集肤效应,4.3.9计算线圈电流有效值,4.3.10线圈导线的选择,4.3.11变压器设计基本步骤,4.3.12单端正激变压器的电路和波形,4.3.3,正激变换器的磁芯尺寸计算,正激电路和初级电流波形如上一讲,图,4,4,、,4,5,所示。一般输出电流脉动分量,I,=0.2,I,o,，,I,o,次级斜坡电流的中值。如忽略磁化电流，初级电流峰值为,I,i,=I,o,/n,。在最低输入电压时保证输出电压。正激变换器的最大占空比应当小于,0,.,5,。同时为了能承受突加负载等影响，最大占空比选择为,0,.,4,，因此，输出功率,因线圈导线直径用电流有效值计算的，矩形波电流有效值与电流峰值的关系为,或,I,dc,=1.58,I,5-6,5-7,目录,4,.1磁性材料的概述,4,.2 磁性材料及铁氧体磁性材料,4.3高频变压器设计方法,4.3.1匝数和匝比选取,4.3.2高频变压器磁芯选择,4.3.3正激变换器磁芯尺寸计算,4.3.4推挽变换器磁芯尺寸计算,4.3.5半/全桥变换器磁芯尺寸计算,4.3.6 常见磁芯的结构参数,4.3.7线圈,4.3.8集肤效应,4.3.9计算线圈电流有效值,4.3.10线圈导线的选择,4.3.11变压器设计基本步骤,4.3.12单端正激变压器的电路和波形,4.3.3,正激变换器的磁芯尺寸计算,因此：,由电磁感应定律得到,其中,U,i,变压器初级电压,(V),；,N,P,变压器初级匝数；,A,e,磁芯的有效截面积,(m2),；,D,B,在导通时间内磁通密度摆幅,(T),；,t,on,导通时间（,s,）,5-8,5-9,目录,4,.1磁性材料的概述,4,.2 磁性材料及铁氧体磁性材料,4.3高频变压器设计方法,4.3.1匝数和匝比选取,4.3.2高频变压器磁芯选择,4.3.3正激变换器磁芯尺寸计算,4.3.4推挽变换器磁芯尺寸计算,4.3.5半/全桥变换器磁芯尺寸计算,4.3.6 常见磁芯的结构参数,4.3.7线圈,4.3.8集肤效应,4.3.9计算线圈电流有效值,4.3.10线圈导线的选择,4.3.11变压器设计基本步骤,4.3.12单端正激变压器的电路和波形,4.3.3,正激变换器的磁芯尺寸计算,在,U,imin,时,将式（,5,9,）代入到式,(5,8),中得到,5-10,目录,4,.1磁性材料的概述,4,.2 磁性材料及铁氧体磁性材料,4.3高频变压器设计方法,4.3.1匝数和匝比选取,4.3.2高频变压器磁芯选择,4.3.3正激变换器磁芯尺寸计算,4.3.4推挽变换器磁芯尺寸计算,4.3.5半/全桥变换器磁芯尺寸计算,4.3.6 常见磁芯的结构参数,4.3.7线圈,4.3.8集肤效应,4.3.9计算线圈电流有效值,4.3.10线圈导线的选择,4.3.11变压器设计基本步骤,4.3.12单端正激变压器的电路和波形,4.3.3,正激变换器的磁芯尺寸计算,若假定初级和所有次级线圈的电流密度相同。忽略复位线圈所占的窗口，因仅流过磁化电流。令磁芯窗口面积，初级线圈面积，所有次级线圈面积和初级,1,匝线圈截面积分别为,A,W,，,A,1,，,A,2,和,A,Pi,(cm,2,),。如果充填系数为,0.4,，且,A,1,A,2,，有,或,5-11,电流密度,j,（,A/cm,2,）为,或,5-12,目录,4,.1磁性材料的概述,4,.2 磁性材料及铁氧体磁性材料,4.3高频变压器设计方法,4.3.1匝数和匝比选取,4.3.2高频变压器磁芯选择,4.3.3正激变换器磁芯尺寸计算,4.3.4推挽变换器磁芯尺寸计算,4.3.5半/全桥变换器磁芯尺寸计算,4.3.6 常见磁芯的结构参数,4.3.7线圈,4.3.8集肤效应,4.3.9计算线圈电流有效值,4.3.10线圈导线的选择,4.3.11变压器设计基本步骤,4.3.12单端正激变压器的电路和波形,4.3.3,正激变换器的磁芯尺寸计算,将式,(5-12),代入式,(5-10),考虑到,j,=400,A,/cm,2,，得到,或,式中,P,o,变换器输出功率（,W,）,；,A,e,磁芯截面（,cm,2,）；,A,W,磁芯窗口面积,(cm,2,),；,f,S,变压器工作频率,(Hz),。,5-14,5-13,目录,4,.1磁性材料的概述,4,.2 磁性材料及铁氧体磁性材料,4.3高频变压器设计方法,4.3.1匝数和匝比选取,4.3.2高频变压器磁芯选择,4.3.3正激变换器磁芯尺寸计算,4.3.4推挽变换器磁芯尺寸计算,4.3.5半/全桥变换器磁芯尺寸计算,4.3.6 常见磁芯的结构参数,4.3.7线圈,4.3.8集肤效应,4.3.9计算线圈电流有效值,4.3.10线圈导线的选择,4.3.11变压器设计基本步骤,4.3.12单端正激变压器的电路和波形,4.3.4,推挽变换器的磁芯尺寸计算,推挽功率变换器实际是两个正激变换器组合而成的。假设条件与正激一样：,=0.8,，,2D,max,=0.42=0.8,。,同时初级电流的有效值与平均值的关系,I,dc,=1.58,I,。因此有,5-15,仍假定充填系数为,0.4,。初、次级电流密度相同。初级和次级线圈各占骨架窗口一半。,初级有两个线圈,，由式,5,-,11,有,或,5-16,目录,4,.1磁性材料的概述,4,.2 磁性材料及铁氧体磁性材料,4.3高频变压器设计方法,4.3.1匝数和匝比选取,4.3.2高频变压器磁芯选择,4.3.3正激变换器磁芯尺寸计算,4.3.4推挽变换器磁芯尺寸计算,4.3.5半/全桥变换器磁芯尺寸计算,4.3.6 常见磁芯的结构参数,4.3.7线圈,4.3.8集肤效应,4.3.9计算线圈电流有效值,4.3.10线圈导线的选择,4.3.11变压器设计基本步骤,4.3.12单端正激变压器的电路和波形,4.3.4,推挽变换器的磁芯尺寸计算,由式,5-9,得到,5-17,考虑到式,5,16,，得到,5-18,目录,4,.1磁性材料的概述,4,.2 磁性材料及铁氧体磁性材料,4.3高频变压器设计方法,4.3.1匝数和匝比选取,4.3.2高频变压器磁芯选择,4.3.3正激变换器磁芯尺寸计算,4.3.4推挽变换器磁芯尺寸计算,4.3.5半/全桥变换器磁芯尺寸计算,4.3.6 常见磁芯的结构参数,4.3.7线圈,4.3.8集肤效应,4.3.9计算线圈电流有效值,4.3.10线圈导线的选择,4.3.11变压器设计基本步骤,4.3.12单端正激变压器的电路和波形,4.3.4,推挽变换器的磁芯尺寸计算,面积乘积为：,式中,P,o,变换器输出功率（,W,）；,A,e,磁芯截面（,cm,2,）；,A,W,磁芯窗口面积,(cm,2,),；,f,S,变压器工作频率,(Hz),。,比较式,5,-,17,和,5,-,13,可见，相同磁芯、频率和电流密度条件下，推挽比正激输出功率大一倍。,5-19,目录,4,.1磁性材料的概述,4,.2 磁性材料及铁氧体磁性材料,4.3高频变压器设计方法,4.3.1匝数和匝比选取,4.3.2高频变压器磁芯选择,4.3.3正激变换器磁芯尺寸计算,4.3.4推挽变换器磁芯尺寸计算,4.3.5半/全桥变换器磁芯尺寸计算,4.3.6 常见磁芯的结构参数,4.3.7线圈,4.3.8集肤效应,4.3.9计算线圈电流有效值,4.3.10线圈导线的选择,4.3.11变压器设计基本步骤,4.3.12单端正激变压器的电路和波形,4.3.5,半桥和全桥,变换器的磁芯尺寸计算,仍然假定在最低输入电压时，最大占空比为,0.8,，晶体管最大导通时间为,0.8T/2,。,效率为,0.8,。,线圈铜充填系数为,0.4,。其余符号与推挽、正激一致。,半桥变压器,初级线圈正向和反向对称流过电流，初级电流有效值为,或,则输出功率,5-20,5-21,目录,4,.1磁性材料的概述,4,.2 磁性材料及铁氧体磁性材料,4.3高频变压器设计方法,4.3.1匝数和匝比选取,4.3.2高频变压器磁芯选择,4.3.3正激变换器磁芯尺寸计算,4.3.4推挽变换器磁芯尺寸计算,4.3.5半/全桥变换器磁芯尺寸计算,4.3.6 常见磁芯的结构参数,4.3.7线圈,4.3.8集肤效应,4.3.9计算线圈电流有效值,4.3.10线圈导线的选择,4.3.11变压器设计基本步骤,4.3.12单端正激变压器的电路和波形,4.3.5,半桥和全桥,变换器的磁芯尺寸计算,而初级线圈铜面积为,或,5-22,于是,变压器初级电压,U,P,=,U,i,/2,根据电磁感应定律得到,式中,B,=2,B,max,，,D,max,=0,.,8,。,5-23,5-24,目录,4,.1磁性材料的概述,4,.2 磁性材料及铁氧体磁性材料,4.3高频变压器设计方法,4.3.1匝数和匝比选取,4.3.2高频变压器磁芯选择,4.3.3正激变换器磁芯尺寸计算,4.3.4推挽变换器磁芯尺寸计算,4.3.5半/全桥变换器磁芯尺寸计算,4.3.6 常见磁芯的结构参数,4.3.7线圈,4.3.8集肤效应,4.3.9计算线圈电流有效值,4.3.10线圈导线的选择,4.3.11变压器设计基本步骤,4.3.12单端正激变压器的电路和波形,4.3.5,半桥和全桥,变换器的磁芯尺寸计算,将式,5-23,，,5-24,代入式,5-21,得到,面积乘积为,式中,P,o,变换器输出功率（,W,）；,A,e,磁芯截面（,cm,2,）；,A,W,磁芯窗口面积,(cm,2,),；,f,S,变压器工作频率,(Hz),。,5-25,5-26,目录,4,.1磁性材料的概述,4,.2 磁性材料及铁氧体磁性材料,4.3高频变压器设计方法,4.3.1匝数和匝比选取,4.3.2高频变压器磁芯选择,4.3.3正激变换器磁芯尺寸计算,4.3.4推挽变换器磁芯尺寸计算,4.3.5半/全桥变换器磁芯尺寸计算,4.3.6 常见磁芯的结构参数,4.3.7线圈,4.3.8集肤效应,4.3.9计算线圈电流有效值,4.3.10线圈导线的选择,4.3.11变压器设计基本步骤,4.3.12单端正激变压器的电路和波形,4.3.5,半桥和全桥,变换器的磁芯尺寸计算,全桥变压器初级电压比半桥大一倍，,相同,的磁芯，线圈匝数大一倍。如果输出相同的功率，半桥初级比全桥导线截面积大一倍，,因此半桥和全桥初级线圈所占窗口面积是相同的。磁芯相同，工作条件相同，输出功率也相同。,工作频率在,50kHz,以下，可选电流密度为,4A/mm,2,，当开关频率升高时，考虑到集肤效应，电流密度可适当减小。,目录,4,.1磁性材料的概述,4,.2 磁性材料及铁氧体磁性材料,4.3高频变压器设计方法,4.3.1匝数和匝比选取,4.3.2高频变压器磁芯选择,4.3.3正激变换器磁芯尺寸计算,4.3.4推挽变换器磁芯尺寸计算,4.3.5半/全桥变换器磁芯尺寸计算,4.3.6 常见磁芯的结构参数,4.3.7线圈,4.3.8集肤效应,4.3.9计算线圈电流有效值,4.3.10线圈导线的选择,4.3.11变压器设计基本步骤,4.3.12单端正激变压器的电路和波形,4.3.6,常见磁芯的结构参数,EE,磁芯,外形和结构示意图如图,5-6,所示，外形参数可参考相关资料。,图,5,6 EE,磁芯外形和结构示意图,目录,4,.1磁性材料的概述,4,.2 磁性材料及铁氧体磁性材料,4.3高频变压器设计方法,4.3.1匝数和匝比选取,4.3.2高频变压器磁芯选择,4.3.3正激变换器磁芯尺寸计算,4.3.4推挽变换器磁芯尺寸计算,4.3.5半/全桥变换器磁芯尺寸计算,4.3.6 常见磁芯的结构参数,4.3.7线圈,4.3.8集肤效应,4.3.9计算线圈电流有效值,4.3.10线圈导线的选择,4.3.11变压器设计基本步骤,4.3.12单端正激变压器的电路和波形,4.3.6,常见磁芯的结构参数,型号,Type,尺寸,Dimensions,（,mm,）,磁芯参数,A,L,（,nH/N,2,）,A,B,C,D,E,F,Ae,（,mm,2,）,Aw,（,mm,2,）,AP,（,mm,4,）,HP1,HP2,LP3,EEL16,16.0,12.2,4.80,4.00,12.0,10.2,19.20,81.60,1566.72,800,EE19,19.1,8.00,4.80,4.80,14.0,5.70,23.04,52.44,1208.22,1730,1150,EEL19,19.0,13.65,4.85,4.85,14.0,11.4,23.52,104.3,2453.63,1550,2050,840,EE20,20.5,10.7,7.00,5.00,14.0,7.00,35.00,63.00,2205,2340,1700,EE22,22.0,10.25,5.50,4.00,16.5,7.80,22.00,97.50,2145.00,1740,1000,EE25,25.0,10.0,6.55,6.55,