1、磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,1,電感及變壓器設(shè)計(jì),磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,開(kāi)關(guān)電源技術(shù),2,氣隙的作用,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,3,Comparative core usage of asymmetrical and symmetrical converters.,磁芯帶有氣隙后，等效的磁導(dǎo)率降低了。線性度比原磁化曲線好得多。磁芯的剩磁(Br)大大下降了。,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,4,氣隙磁路計(jì)算,大氣隙磁芯會(huì)導(dǎo)致邊緣效應(yīng)增大，匝間漏電感和雜散電容增大,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,開(kāi)關(guān)電源技術(shù),5,電感和變壓器設(shè)計(jì)的共性問(wèn)題,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,6,電感和變壓器設(shè)計(jì),磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,7,電感和變壓器設(shè)計(jì),是否算出電感

2、的L和變壓器的NP / NS就可以了？,我們知道 電感要求的是: 電感量 L 變壓器要求的是: 原副邊匝數(shù)比NP / NS,L,NP,NS,回答三個(gè)問(wèn)題： 1. 對(duì)于一個(gè)50Hz的工頻變壓器：220V / 110V, NP / NS 等于2是一定的. 那么NP取多少合適? 2匝? 100匝? 4000匝? 或是其它匝數(shù)? 為什么? 2. 有兩個(gè)50Hz的220V / 110V 變壓器, 一個(gè)容量50W, 一個(gè)是100kW.在工業(yè)應(yīng)用中, 它們兩個(gè)的大小相同嗎? 為什么? 3. 同樣50W的兩個(gè)變壓器, 一個(gè)是50Hz工作, 一個(gè)是50kHz工作. 兩個(gè)的大小一樣嗎? 在工業(yè)應(yīng)用中, 可以采用相

3、同材料的鐵芯嗎?,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,8,電感和變壓器設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)電感和變壓器要考慮的問(wèn)題?,3. 鐵芯材料問(wèn)題(鐵耗(體電阻和磁滯回線),渦流損耗(eddy loss)和磁滯損耗(hysteresis loss),4. 居里溫度(curie temperature),1. 銅耗問(wèn)題(直流電阻和交流電阻),磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,開(kāi)關(guān)電源技術(shù),9,電導(dǎo)體設(shè)計(jì),磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,10,電感和變壓器設(shè)計(jì),一. 電導(dǎo)體的設(shè)計(jì)(直流電阻和交流電阻）,無(wú)論變壓器還是電感, 導(dǎo)體材料一般采用電工銅, 偶爾也采用鋁等材料. 形式為導(dǎo)線或銅箔。,1. 直流電阻(金屬, 不接近熔點(diǎn)和0K時(shí)),其中,20oC時(shí)的工業(yè)

4、純銅,T溫度，oC,電阻率 (mm2/m,溫度系數(shù)(1/oC),20oC時(shí)的工業(yè)純鋁,(mm2/m,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,11,電感和變壓器設(shè)計(jì),一. 電導(dǎo)體的設(shè)計(jì)(直流電阻和交流電阻),2. 交流電阻的成因(集膚效應(yīng)),磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,12,集膚效應(yīng)（也稱(chēng)趨膚效應(yīng)(skin effect)）,當(dāng)導(dǎo)線中通過(guò)交流電流時(shí)，因?qū)Ь€內(nèi)部和邊緣部分所交鏈的磁通量不同，致使導(dǎo)線表面上的電流產(chǎn)生不均勻分布，相當(dāng)于導(dǎo)線有效截面減少，這種現(xiàn)象稱(chēng)為集膚效應(yīng)。,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,13,電感和變壓器設(shè)計(jì),一. 電導(dǎo)體的設(shè)計(jì)(直流電阻和交流電阻),kAC趨表系數(shù):與頻率、材料的性質(zhì)、導(dǎo)線形狀有關(guān),磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題

5、,14,電感和變壓器設(shè)計(jì),4. 交流電阻分析(集膚效應(yīng)),穿透深度(penetration depth)：由于集膚效應(yīng)，交變電流沿導(dǎo)線表面開(kāi)始能達(dá)到的徑向深度?？梢员碚鲗?dǎo)線有效截面的減少。,一. 電導(dǎo)體的設(shè)計(jì)(直流電阻和交流電阻),電流在導(dǎo)體的表面密集分布，中心部位電流密度很小，使導(dǎo)體有效導(dǎo)電面積減小，因而交流電阻要大于直流電阻,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,15,電感和變壓器設(shè)計(jì),5. 交流電阻分析(集膚效應(yīng)的穿透深度pd),一. 電導(dǎo)體的設(shè)計(jì)(直流電阻和交流電阻),磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,16,電感和變壓器設(shè)計(jì),6. 交流電阻分析(銅導(dǎo)體的穿透深度d與電流頻率 f 的關(guān)系),為了減小交流電阻, 綜合考慮

6、集膚效應(yīng)的電流密度遞減性,以及溫度帶來(lái)的影響, 我們一般取銅導(dǎo)體的厚度或(直徑)為d (mm，毫米),一. 電導(dǎo)體的設(shè)計(jì)(直流電阻和交流電阻),磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,17,電感和變壓器設(shè)計(jì),8. 電導(dǎo)體的設(shè)計(jì)導(dǎo)體截面的選擇,導(dǎo)體截面的選擇， 兩個(gè)因素： A. 導(dǎo)體的厚度或(直徑)為d (mm，毫米)小于23倍穿透深度 B. 導(dǎo)體允許的電流密度 j (A/ mm2, 安培 / 平方毫米),一. 電導(dǎo)體的設(shè)計(jì)(直流電阻和交流電阻),線圈振動(dòng),多層并繞,鄰近效應(yīng)隨繞組層數(shù)增加呈指數(shù)規(guī)律增加,合理布線,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,18,英規(guī)導(dǎo)線(AWG),磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,開(kāi)關(guān)電源技術(shù),19,磁性體的選擇,磁

7、元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,20,電感和變壓器設(shè)計(jì),二. 鐵芯材料的選擇(鐵耗(渦流損耗和磁滯損耗),鐵芯的選擇要考慮三個(gè)因素: (1) 工作頻率, (2) 磁化方式(單邊磁化還是雙邊磁化), (3) 價(jià)格,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,21,電感和變壓器設(shè)計(jì),二. 鐵芯材料的選擇(鐵耗(渦流損耗和磁滯損耗),磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,22,電感和變壓器設(shè)計(jì),二. 鐵芯材料選擇( 鐵耗(渦流損耗和磁滯損耗),2. 開(kāi)關(guān)電源的磁性材料,變壓器和諧振電感: 錳鋅鐵氧體、非晶磁芯 電感扼流圈：鐵粉芯、錳鋅鐵氧體、鎳芯鐵氧體、非晶磁芯 共模抑制器或尖峰抑制器：高導(dǎo)磁率的錳鋅鐵氧體、非晶磁芯等,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,23,電感和變

8、壓器設(shè)計(jì),三. 變壓器的損耗(銅耗、磁滯損耗和渦流損耗),磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,開(kāi)關(guān)電源技術(shù),24,變壓器設(shè)計(jì),面積相乘法（AP法） 幾何參數(shù)法（KG法）,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,25,一、面積相乘法（AP法）,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,26,變壓器設(shè)計(jì),一、面積相乘法設(shè)計(jì),Ae:有效鐵芯面積 Aw：窗口面積,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,27,相關(guān)概念,1.功率容量：半個(gè)窗口的容量 2.有效磁芯面積：截面積 3.窗口面積： 4.窗口利用系數(shù)：銅導(dǎo)線所占面積 5.散熱面積：磁芯散熱面積+線圈散熱面積,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,28,變壓器設(shè)計(jì),一、面積相乘法設(shè)計(jì),磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,29,變壓器設(shè)計(jì),B的計(jì)算,一、面積相

9、乘法設(shè)計(jì),單向勵(lì)磁電流,雙向勵(lì)磁電流,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,30,變壓器設(shè)計(jì),一、面積相乘法設(shè)計(jì),磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,31,變壓器設(shè)計(jì),一、面積相乘法設(shè)計(jì),磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,32,變壓器設(shè)計(jì),一、面積相乘法設(shè)計(jì),2. 磁芯窗口面積AW的使用(續(xù)),磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,33,變壓器設(shè)計(jì),一、面積相乘法設(shè)計(jì),磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,34,變壓器設(shè)計(jì),一、面積相乘法設(shè)計(jì),磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,35,變壓器設(shè)計(jì),一、面積相乘法設(shè)計(jì),4. 電流有效值IP和IS的計(jì)算,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,36,變壓器設(shè)計(jì),一、面積相乘法設(shè)計(jì),4. 電流有效值IP和IS的計(jì)算(續(xù)),磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,37,變壓器設(shè)計(jì),一、面積

10、相乘法設(shè)計(jì),(7),磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,38,變壓器設(shè)計(jì),一、面積相乘法設(shè)計(jì),6. 電流密度 j 的的取值,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,39,例題,推挽方式工作 輸入電壓：28V 輸出中間抽頭，全波整流 輸出電壓：18V 輸出電流：5A 工作頻率：40kHz 效率：0.98 工作磁密：0.3T,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,40,二、幾何參數(shù)法（KG法）,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,41,變壓器設(shè)計(jì),二、變壓器的設(shè)計(jì)方法之二幾何參數(shù)法,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,42,變壓器設(shè)計(jì),二、變壓器的設(shè)計(jì)方法之二幾何參數(shù)法,線路分布電阻的集中表示,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,43,變壓器設(shè)計(jì),二、變壓器的設(shè)計(jì)方法之二幾何參數(shù)法,副邊壓降,原邊

11、壓降折算,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,44,變壓器設(shè)計(jì),二、變壓器的設(shè)計(jì)方法之二幾何參數(shù)法,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,45,Fringing flux（邊緣磁通）,Current density distribution,三、變壓器繞組的分布,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,46,三、變壓器繞組的分布,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,47,三、變壓器繞組的分布,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,48,三、變壓器繞組的分布,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,49,三、變壓器繞組的分布,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,50,三、變壓器繞組的分布,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,開(kāi)關(guān)電源技術(shù),51,電抗器設(shè)計(jì),開(kāi)關(guān)電源中的電抗器用作濾波，因此需要考慮直流磁化問(wèn)題,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,52

12、,電感器設(shè)計(jì),兩段組成，便于通過(guò)調(diào)整氣隙來(lái)調(diào)節(jié)總的磁導(dǎo)率,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,53,電感器設(shè)計(jì),Conventional VRM,磁環(huán),磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,54,電感器設(shè)計(jì),一、電感器的物理關(guān)系,1. 復(fù)習(xí)幾個(gè)基本概念,磁場(chǎng)強(qiáng)度 H 磁導(dǎo)率 真空磁導(dǎo)率 0 （非導(dǎo)磁材料均適用） 相對(duì)磁導(dǎo)率 r 絕對(duì)磁導(dǎo)率 a = r 0 磁通密度 B = a H 磁路 lm 磁路截面積 Ae 線圈匝數(shù) N 磁通量 = B Ae 磁鏈 = N =LI 磁動(dòng)勢(shì) Fm = H lm= N I,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,55,電感器設(shè)計(jì),一、電感器的物理關(guān)系,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,56,電感器設(shè)計(jì),一、電感器的物理關(guān)系,磁元

13、件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,57,電感器設(shè)計(jì),二、面積相乘法設(shè)計(jì)電感,面密度,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,58,電感器設(shè)計(jì),二、面積相乘法設(shè)計(jì)電感,有效值,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,59,電感器設(shè)計(jì),二、面積相乘法設(shè)計(jì)電感,已知電源指標(biāo)，從輸出電壓和紋波（如5V，2）可以計(jì)算出濾波電感的最小值，實(shí)際取最小值的1.1到1.3倍。,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,60,電感器設(shè)計(jì),二、面積相乘法設(shè)計(jì)電感,可以用直流量代替,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,61,電感器設(shè)計(jì),二、面積相乘法設(shè)計(jì)電感,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,62,電感器設(shè)計(jì),二、面積相乘法設(shè)計(jì)電感,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,63,電感器設(shè)計(jì),二、面積相乘法設(shè)計(jì)電感,變壓器加的是電壓 電感器流的是

14、電流,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,64,電感器設(shè)計(jì),二、面積相乘法設(shè)計(jì)電感,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,65,電感器設(shè)計(jì),二、面積相乘法設(shè)計(jì)電感,氣隙長(zhǎng)度,鐵芯長(zhǎng)度,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,66,電感器設(shè)計(jì),二、面積相乘法設(shè)計(jì)電感,選定氣隙長(zhǎng)度是為了保證一定電流下B不飽和,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,67,Special page for AC inductor design. It is extraneous from context.,電感器設(shè)計(jì),磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,68,電感器設(shè)計(jì),二、面積相乘法設(shè)計(jì)電感,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,69,電感器設(shè)計(jì),二、面積相乘法設(shè)計(jì)電感,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,70,電感器設(shè)計(jì),二、面積相

15、乘法設(shè)計(jì)電感,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,71,電感器設(shè)計(jì),三、幾何參數(shù)法設(shè)計(jì)電感(直流偏磁),磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,72,電感器設(shè)計(jì),2. 幾何參數(shù)法公式推導(dǎo),三、幾何參數(shù)法設(shè)計(jì)電感(直流偏磁),磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,73,電感器設(shè)計(jì),2. 幾何參數(shù)法公式推導(dǎo)(續(xù)),三、幾何參數(shù)法設(shè)計(jì)電感(直流偏磁),磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,74,電感器設(shè)計(jì),2. 幾何參數(shù)法公式推導(dǎo)(續(xù)),三、幾何參數(shù)法設(shè)計(jì)電感(直流偏磁),磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,75,電感器設(shè)計(jì),三、幾何參數(shù)法設(shè)計(jì)電感,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,76,電感器設(shè)計(jì),6. 線圈截面積的確定,三、幾何參數(shù)法設(shè)計(jì)電感,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,77,電感器設(shè)計(jì),四、不同電壓的感生電勢(shì)公式推導(dǎo),1. 方波電壓波形,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,78,電感器設(shè)計(jì),四、不同電壓的感生電勢(shì)公式推導(dǎo),2. 正弦電壓波形,磁元件設(shè)計(jì)共性問(wèn)題,79,電感器設(shè)計(jì),五、電感器件的降額準(zhǔn)則,電感器件包括各類(lèi)變壓器、扼流圖和線圈. 各類(lèi)電感器當(dāng)熱點(diǎn)溫度(THs=Ta+T)從25上升到50時(shí)，其基本失效率增加不多，般不大于兩倍。但增高到75 以上