直流濾波電感設計第一頁，共九十七頁，2022年，8月28日專題1磁的基本概念專題4

開關電源中常見的磁性材料專題6

變壓器損耗及熱設計專題3

開關電源中磁性材料的基本參數專題2

電路中的磁元件專題5

變壓器中的分布參數及線圈第二頁，共九十七頁，2022年，8月28日專題10

高頻變壓器設計專題11

高頻變壓器設計實例專題9

反激變壓器電感設計舉例專題8直流濾波電感設計專題7

磁芯的工作狀態(tài)第三頁，共九十七頁，2022年，8月28日電感設計開關電源中的直流輸出濾波電感或能量傳遞電感一般是在帶氣隙的鐵芯上繞線圈構成的，設計電感的任務就是在滿足給定性能指標的情況下，確定最好的鐵芯結構、最小的幾何尺寸、恰當的繞組匝數、導線截面積和氣隙長度等。限制參數（1）直流平均電流（2）紋波電流（3）直流銅耗確保電感器流過峰值電流時不飽和第四頁，共九十七頁，2022年，8月28日拓撲決定電路參數工作頻率決定磁芯最大磁密和最大磁通擺幅粗選磁芯形狀和尺寸決定損耗限制計算匝數計算氣隙長度計算導體尺寸和線圈電阻計算線圈損耗，總損耗和溫升電感設計步驟第五頁，共九十七頁，2022年，8月28日根據拓撲決定電路設計參數1、電感量L由紋波決定；2、滿載直流電感電流的平均值決定磁芯的直流工作點；3、最大紋波電流的要求就是電感量的要求；4、最大峰值短路限制電流ISP，限制了最大磁密；5、最大允許損耗和溫升就是損耗計算，主要是直流損耗，交流損耗較小。電感設計前的知識準備第六頁，共九十七頁，2022年，8月28日磁環(huán)：Toroidcore鐵粉芯材料，顏色表示不同的牌號第七頁，共九十七頁，2022年，8月28日硅鋼siliconsteel適合做電感的磁芯鐵氧體ferrite鐵粉芯ironpowder鐵硅鋁FeSiAlKoolMu，sendust高通磁粉芯HighFluxMPP鐵鎳鉬磁粉芯坡莫合金permalloy非晶合金amorphous磁粉芯開氣隙的磁芯第八頁，共九十七頁，2022年，8月28日電感不同于變壓器，要儲存能量，開氣隙和用磁粉芯的目的就是可以儲存足夠的能量。第九頁，共九十七頁，2022年，8月28日設計流程圖舉例輸出濾波電感【例題1】電流連續(xù)輸出濾波電感設計第十頁，共九十七頁，2022年，8月28日（1）設計參數：5V/50A正激變換器的輸出濾波電感。濾波電感電壓范圍：V輸出：5V滿載電流I0：50A電路拓撲：正激變換器開關頻率f:200kHz最大占空度：0.405（Uimin）T第十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日電感量L=2.2微亨最大損耗：2.5W最大溫升：40℃冷卻方式：自然對流最小占空度：0.213（Uimax）最大紋波電流：50*20%=10A最大峰值電流ISP=65A第十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日（2）應用制造廠手冊選擇磁芯材料磁芯材料：如：鐵氧體3C90國內外生產磁性元件的廠家PHILIPSTDKSONY南京精研磁性科技有限公司浙江海寧天通公司SIMENS南京898廠金寧無線電器材廠MICROMENTALSMAGNETICS第十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日PHILIPS鐵氧體3C90MnZn鐵氧體材料特性典型B/H曲線第十四頁，共九十七頁，2022年，8月28日初始磁導率隨溫度變化曲線幅值磁導率隨峰值磁密變化曲線第十五頁，共九十七頁，2022年，8月28日增量磁導率影響因素:直流磁場的大小,磁心的幾何尺寸、形狀、溫度。增量磁導率隨磁場強度的變化曲線第十六頁，共九十七頁，2022年，8月28日（3）決定磁芯最大磁通密度和最大磁通擺幅Bmax=3000Gs=0.3T最大磁通幅度取短路時峰值電流限制最大磁通密度最大磁通擺幅最大電流紋波10A最大峰峰值磁通擺幅對應于最大紋波電流第十七頁，共九十七頁，2022年，8月28日100°C功率比損耗隨峰值磁密和頻率的變化曲線不同頻率和峰值磁密比損耗隨溫度變化曲線第十八頁，共九十七頁，2022年，8月28日忽略二極管D1和D2的導通壓降。電感L上的波形T主變壓器第十九頁，共九十七頁，2022年，8月28日紋波頻率為200KHz磁芯損耗近似4mW/cm3遠小于100mW/cm3磁芯工作在Ipmax時磁通接近飽和。最大磁通擺幅第二十頁，共九十七頁，2022年，8月28日(4)選磁芯形狀和尺寸單線圈電感K1=0.03滿載電流50A峰值電流65AL=2.2微亨下面對系數K1做解釋第二十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日K1W—初級銅面積/窗口面積K1—假定線圈損耗比磁芯損耗大得多，自然通風冷卻下，電流密度取420A/cm2時的經驗值。K2—假定線圈損耗和磁芯損耗相等，電流密度為292A/cm2,則K2=0.707K1。第二十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日各種系數與電感類型的關系線圈窗口利用率自然冷卻經驗值K1線圈損耗等于磁芯損耗第二十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日損耗不嚴重時決定磁芯尺寸的AP法Isp最大峰值短路電流IFL初級滿載電流有效值K1—假定線圈損耗比磁芯損耗大得多，自然通風冷卻下，電流密度取420A/cm2時的經驗值。第二十四頁，共九十七頁，2022年，8月28日磁芯損耗嚴重時，損耗限制的磁通擺幅，面積乘積公式為初級電流變化量最大磁通密度擺幅第二十五頁，共九十七頁，2022年，8月28日公式中的4/3次方說明：磁芯尺寸增加，磁芯和線圈（產生損耗）體積增加大于表面積（散熱）的增加。因此磁芯體積大的功率密度降低。第二十六頁，共九十七頁，2022年，8月28日選擇磁芯查表得到磁芯參數計算需要值查表值第二十七頁，共九十七頁，2022年，8月28日磁芯尺寸帶骨架的窗口數據AW=1.23cm2bW=2.10cmhW=0.60cmlaw=6.10cm窗口寬度窗口高度平均匝長第二十八頁，共九十七頁，2022年，8月28日骨架型號：CPH-ETD34-1S-14P骨架材料:PBT阻燃加固引腳數：14最高工作溫度155度繞組截面積123/mm2繞組最小寬度20.9/mm平均匝長60/mm第二十九頁，共九十七頁，2022年，8月28日(5)決定熱阻RT和允許損耗磁芯損耗線圈損耗損耗熱阻最大允許溫升決定損耗磁芯比損耗第三十頁，共九十七頁，2022年，8月28日磁芯損耗磁芯比損耗線圈損耗可以大于2WBmax=3000Gs=30mT允許總損耗是2.5W第三十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日（6）計算保證電感量所需要的匝數取5匝尺寸-cmL-微亨需要說明的是：電路中的濾波電感的電感量是由電感上的電壓、電流脈動，電路的頻率、電容大小、紋波要求等確定的。第三十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日1000匝線圈等效電感uHETD磁芯是圓形端面端面中柱直徑（7）根據所需的電感量計算氣隙長度第三十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日校正氣隙后的截面積cm2邊緣修正后的有效截面積矩形端面長度單位cm第三十四頁，共九十七頁，2022年，8月28日將得到數據再代入上式進行校驗，直到誤差小于10%。ETD34的氣隙截面是圓形截面，用下面的公式計算，并設第三十五頁，共九十七頁，2022年，8月28日（8）計算導體尺寸、線圈電阻、損耗和溫升bW=20.9mmhW=（）/2=6mm窗口寬度窗口高度第三十六頁，共九十七頁，2022年，8月28日50A/450=0.111cm2導體截面積導體厚度0.111/2.09=0.0555cm層間絕緣0.005cm線圈高度hW=0.60cm骨架高度沒有充分利用線圈匝數N=5電流密度450A/cm2第三十七頁，共九十七頁，2022年，8月28日為減少損耗導體厚度0.1cm線圈總高度0.525cm導體截面積0.2cm2平均匝長6.1cm線圈總長6.1×5=30.5cm線圈電阻直流損耗第三十八頁，共九十七頁，2022年，8月28日計算線圈的交流損耗在頻率200kHz時的穿透深度有效面積減少倍數導體厚度d=0.1cm第三十九頁，共九十七頁，2022年，8月28日p=5層三角波交流電流分量有效值交流損耗為線圈總損耗第四十頁，共九十七頁，2022年，8月28日(9)總損耗為1.18+0.03=1.21W，遠小于2.1W。滿載時按損耗計算線圈的電流密度為250A/cm2ETD34磁芯的面積乘積比計算值大了65%?？梢赃x用更小一號磁芯。選ETD29試試。第四十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日【例題2】第四十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日磁粉芯電感設計舉例設計一個磁粉芯電感，用于BUCK變換器輸出濾波電感。為計算簡單起見設輸入電壓為15伏，輸出為5V/2A，工作頻率250kHz。電感量為35微亨，電流從0變化到2A，允許磁芯磁通變化不超過20%，即電感量變化不超過20%，絕對損耗為300mW，自然冷卻，溫升40°C。第四十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日(1)計算電感量占空比紋波電流峰峰值磁芯損耗和線圈損耗各占一半150mW臨界連續(xù)電感量為第四十四頁，共九十七頁，2022年，8月28日（2）選擇磁芯材質工作頻率為250kHz，選擇MPP磁粉芯材料，因為MPP材料的損耗低。還應注意磁導率隨直流偏置加大而下降。（3）粗選磁芯尺寸選擇Magnetics公司的MPP磁芯2倍儲能：77：鐵硅鋁55：MPP磁芯58：高通第四十五頁，共九十七頁，2022年，8月28日第四十六頁，共九十七頁，2022年，8月28日磁芯初始磁導率為300微亨，可選擇55045-A2牌號的磁芯，參數如下：第四十七頁，共九十七頁，2022年，8月28日1000匝電感系數匝數匝數取整需核算電感取19匝電感系數8%的誤差第四十八頁，共九十七頁，2022年，8月28日（4）計算磁通密度平均磁路長度CGS制的磁場強度磁通密度單位換算第四十九頁，共九十七頁，2022年，8月28日由于直流濾波電感工作時有直流偏磁，這個直流偏磁會是磁芯的磁導率下降，用實際磁導率與初始磁導率的比值為縱坐標，橫坐標為直流偏磁奧斯特Oe。第五十頁，共九十七頁，2022年，8月28日（5）計算電感的變化量直流偏置Hdc/(Oe）,1Oe＝0.796A/cm67%第五十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日2A時電感量下降到如果想要增加電感量，需要增加匝數，但增加匝數會增加磁通密度，更增加電感量的變化，換一個更低磁導率的磁芯試驗。第五十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日（6）第二次試算牌號55050-A2取29匝第五十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日（7）再次計算磁通密度、磁導率變化量和匝數校驗實際電感量磁通密度直流偏磁影響第五十四頁，共九十七頁，2022年，8月28日計算電感的變化量直流偏置（Oe）1Oe＝0.796A/cm85%第五十五頁，共九十七頁，2022年，8月28日（8）選擇導線線圈的窗口面積0.383cm2，取充填系數為50%。電流密度選4A/mm2，2A只需要0.5mm2,小于0.66mm2第五十六頁，共九十七頁，2022年，8月28日磁芯初始磁導率為300微亨，可選擇55045-A2牌號的磁芯，參數如下：第五十七頁，共九十七頁，2022年，8月28日選擇磁環(huán)TN12.5/5，內徑為7.62mm，外徑為12.7mm，高問4.75mm。繞2層，加起來可超過29匝，滿足要求。第五十八頁，共九十七頁，2022年，8月28日（9）計算電阻選擇平均匝長為2.06cm第五十九頁，共九十七頁，2022年，8月28日集膚深度有效厚度第六十頁，共九十七頁，2022年，8月28日查DOWELL曲線第六十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日(10)功率損耗電流紋波的峰峰值交流磁場強度磁感應峰值第六十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日直流偏置（Oe）1Oe＝0.796A/cm85%2A的直流偏磁使磁導率下降85%第六十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日需要注意的是BUCK變換器中的電感里的電流是三角波，不是正弦波，而廠家提供的曲線是正諧波下獲得。以實驗測試為基礎進行一些近似估算，提供一些經驗公式。Magnetics磁芯單位體積損耗表達式第六十四頁，共九十七頁，2022年，8月28日磁芯損耗求總線圈損耗直流損耗交流損耗磁芯和線圈總損耗：240mW磁芯損耗大于線圈損耗第六十五頁，共九十七頁，2022年，8月28日（11）溫升計算預計溫升由于環(huán)境溫度為20°C，線圈電阻溫度為36.8°C,如果環(huán)境溫度為40°C，則線圈溫度為56.8°C,需要重新計算銅線的直流電阻。第六十六頁，共九十七頁，2022年，8月28日銅的電阻溫度系數為線圈電阻損耗重新計算溫升第六十七頁，共九十七頁，2022年，8月28日電感計算后的產品貌似簡單，但涉及的理論知識很多：主要有電路理論、磁芯結構尺寸、絕緣等級、溫升等。其中導線的電阻、磁芯的參數會隨環(huán)境溫度而變化，溫度及溫升與電感所處的環(huán)境、工作狀態(tài)密切相關互相制約著，使得計算十分復雜。即使是計算好的電感永遠是個近似值。沒有更好，只有最好。第六十八頁，共九十七頁，2022年，8月28日【例題3】設計一個正激交錯變換器輸出濾波電感第六十九頁，共九十七頁，2022年，8月28日（1）設計參數電感輸入電壓輸出電壓工作頻率輸出電流限流電流紋波電流第七十頁，共九十七頁，2022年，8月28日占空度極限占空度電感量第七十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日（2）選擇磁芯材料和尺寸磁芯材料選鐵氧體3F3100°C的飽和磁感應密度為0.33T。選最大磁通過流時的最大磁感應密度：第一象限工作磁密選為0.028T第七十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日磁芯損耗可以忽略，磁芯由AP法選擇，主要限制是飽和磁密限制。選擇E42C磁芯。主要參數如下：第七十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日磁芯的AP值需要的滿足要求第七十四頁，共九十七頁，2022年，8月28日（3）計算匝數取10匝（4）計算氣隙長度預設一個氣隙長度，進行計算，再復核計算數據進行迭代，若干次后就接近目標值。誤差只有2%，可以滿足要求。電感單位為微亨，長度單位為cm第七十五頁，共九十七頁，2022年，8月28日（5）計算導線尺寸對于電感中電流連續(xù)的磁芯，主要損耗在線圈。但由于工作頻率高，線圈匝數較少，可以選用的電流密度可以相對高些。導線規(guī)格尺寸第七十六頁，共九十七頁，2022年，8月28日直流電阻集膚深度導體的有效厚度與集膚深度的比值Q第七十七頁，共九十七頁，2022年，8月28日電感電流為三角波，有效值為：第七十八頁，共九十七頁，2022年，8月28日（6）線圈結構導線帶漆皮直徑為2.36mm10匝導線的寬度為2.36cmE42C磁芯骨架的窗口寬度為2.96cm繞成單層，散熱效果好。第七十九頁，共九十七頁，2022年，8月28日（7）導線損耗與溫升直流電阻損耗交流損耗線圈總損耗磁芯熱阻線圈溫升第八十頁，共九十七頁，2022年，8月28日前述計算都按20°C時的電阻率計算電阻的，考慮到環(huán)境溫度，實際電阻溫度要高些，電阻值也高些。設環(huán)境溫度為40°C，溫升40.5°C，線圈溫度為80.5°C。電阻損耗增加，溫度也增加，設溫度增加到91°C,則迭代計算第八十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日實際線圈損耗電流連續(xù)模式的其他拓撲的電感即Buck、Boost、Buck/Boost以及推挽、半橋和全橋輸出濾波電感設計方法相似。連續(xù)模式反激變壓器磁芯損耗雖然可以不計，但線圈電流是斷續(xù)的，必須計算線圈交流損耗，尤其是多層線圈。為減少鄰近效應引起的交流電阻增加，初級與次級通常要分段交替繞制。第八十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日電流斷續(xù)模式直流濾波電感設計【例題4】第八十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日設計一個斷續(xù)模式反激變壓器，反激變壓器設計參數為輸入電壓