直流濾波電感設(shè)計

直流濾波電感設(shè)計第1頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月專題1磁的基本概念專題4

開關(guān)電源中常見的磁性材料專題6

變壓器損耗及熱設(shè)計專題3

開關(guān)電源中磁性材料的基本參數(shù)專題2

電路中的磁元件專題5

變壓器中的分布參數(shù)及線圈第2頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月專題10

高頻變壓器設(shè)計專題11

高頻變壓器設(shè)計實例專題9

反激變壓器電感設(shè)計舉例專題8直流濾波電感設(shè)計專題7

磁芯的工作狀態(tài)第3頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月電感設(shè)計開關(guān)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(gòu)成的，設(shè)計電感的任務(wù)就是在滿足給定性能指標(biāo)的情況下，確定最好的鐵芯結(jié)構(gòu)、最小的幾何尺寸、恰當(dāng)?shù)睦@組匝數(shù)、導(dǎo)線截面積和氣隙長度等。限制參數(shù)（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4頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月拓?fù)錄Q定電路參數(shù)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(shù)計算氣隙長度計算導(dǎo)體尺寸和線圈電阻計算線圈損耗，總損耗和溫升電感設(shè)計步驟第5頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)拓?fù)錄Q定電路設(shè)計參數(shù)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(diǎn)；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(shè)計前的知識準(zhǔn)備第6頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月磁環(huán)：Toroidcore鐵粉芯材料，顏色表示不同的牌號第7頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月硅鋼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8頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月電感不同于變壓器，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9頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)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(shè)計第10頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）設(shè)計參數(shù)：5V/50A正激變換器的輸出濾波電感。濾波電感電壓范圍：13.35-25.33V輸出：5V滿載電流I0：50A電路拓?fù)洌赫ぷ儞Q器開關(guān)頻率f:200kHz最大占空度：0.405（Uimin）T第11頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月電感量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12頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）應(yīng)用制造廠手冊選擇磁芯材料磁芯材料：如：鐵氧體3C90國內(nèi)外生產(chǎn)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13頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月PHILIPS鐵氧體3C90MnZn鐵氧體材料特性典型B/H曲線第14頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月初始磁導(dǎo)率隨溫度變化曲線幅值磁導(dǎo)率隨峰值磁密變化曲線第15頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月增量磁導(dǎo)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(dǎo)率隨磁場強(qiáng)度的變化曲線第16頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月（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(yīng)于最大紋波電流第17頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月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18頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月忽略二極管D1和D2的導(dǎo)通壓降。電感L上的波形T主變壓器第19頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月紋波頻率為200KHz磁芯損耗近似4mW/cm3遠(yuǎn)小于100mW/cm3磁芯工作在Ipmax時磁通接近飽和。最大磁通擺幅第20頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月(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(shù)K1做解釋第21頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月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(fēng)冷卻下，電流密度取420A/cm2時的經(jīng)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22頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月各種系數(shù)與電感類型的關(guān)系線圈窗口利用率自然冷卻經(jīng)驗值K1線圈損耗等于磁芯損耗第23頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月?lián)p耗不嚴(yán)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(fēng)冷卻下，電流密度取420A/cm2時的經(jīng)驗值。第24頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月磁芯損耗嚴(yán)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25頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月公式中的4/3次方說明：磁芯尺寸增加，磁芯和線圈（產(chǎn)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26頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月選擇磁芯查表得到磁芯參數(shù)計算需要值查表值第27頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月磁芯尺寸帶骨架的窗口數(shù)據(jù)AW=1.23cm2bW=2.10cmhW=0.60cmlaw=6.10cm窗口寬度窗口高度平均匝長第28頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月骨架型號：CPH-ETD34-1S-14P骨架材料:PBT阻燃加固引腳數(shù)：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29頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月(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30頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月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31頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月（6）計算保證電感量所需要的匝數(shù)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32頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月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(jù)所需的電感量計算氣隙長度第33頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月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34頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月將得到數(shù)據(jù)再代入上式進(jìn)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(shè)第35頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月（8）計算導(dǎo)體尺寸、線圈電阻、損耗和溫升bW=20.9mmhW=（25.4-13.4）/2=6mm窗口寬度窗口高度第36頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月50A/450=0.111cm2導(dǎo)體截面積導(dǎo)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(shù)N=5電流密度450A/cm2第37頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月為減少損耗導(dǎo)體厚度0.1cm線圈總高度0.525cm導(dǎo)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38頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月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(shù)導(dǎo)體厚度d=0.1cm第39頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月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40頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月(9)總損耗為1.18+0.03=1.21W，遠(yuǎn)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%。可以選用更小一號磁芯。選ETD29試試。第41頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月【例題2】第42頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月磁粉芯電感設(shè)計舉例設(shè)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(shè)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43頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月(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44頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）選擇磁芯材質(zhì)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(yīng)注意磁導(dǎo)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45頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月第46頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月磁芯初始磁導(dǎo)率為300微亨，可選擇55045-A2牌號的磁芯，參數(shù)如下：第47頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月1000匝電感系數(shù)匝數(shù)匝數(shù)取整需核算電感取19匝電感系數(shù)8%的誤差第48頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）計算磁通密度平均磁路長度CGS制的磁場強(qiáng)度磁通密度單位換算第49頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月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(dǎo)率下降，用實際磁導(dǎo)率與初始磁導(dǎo)率的比值為縱坐標(biāo)，橫坐標(biāo)為直流偏磁奧斯特Oe。第50頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）計算電感的變化量直流偏置Hdc/(Oe）,1Oe＝0.796A/cm67%第51頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月2A時電感量下降到如果想要增加電感量，需要增加匝數(shù)，但增加匝數(shù)會增加磁通密度，更增加電感量的變化，換一個更低磁導(dǎo)率的磁芯試驗。第52頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月（6）第二次試算牌號55050-A2取29匝第53頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月（7）再次計算磁通密度、磁導(dǎo)率變化量和匝數(shù)校驗實際電感量磁通密度直流偏磁影響第54頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月計算電感的變化量直流偏置（Oe）1Oe＝0.796A/cm85%第55頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月（8）選擇導(dǎo)線線圈的窗口面積0.383cm2，取充填系數(shù)為50%。電流密度選4A/mm2，2A只需要0.5mm2,小于0.66mm2第56頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月磁芯初始磁導(dǎo)率為300微亨，可選擇55045-A2牌號的磁芯，參數(shù)如下：第57頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月選擇磁環(huán)TN12.5/5，內(nèi)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58頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月（9）計算電阻選擇平均匝長為2.06cm第59頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月集膚深度有效厚度第60頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月查DOWELL曲線第61頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月(10)功率損耗電流紋波的峰峰值交流磁場強(qiáng)度磁感應(yīng)峰值第62頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月直流偏置（Oe）1Oe＝0.796A/cm85%2A的直流偏磁使磁導(dǎo)率下降85%第63頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月需要注意的是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(chǔ)進(jìn)行一些近似估算，提供一些經(jīng)驗公式。Magnetics磁芯單位體積損耗表達(dá)式第64頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月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65頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月（11）溫升計算預(yù)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66頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月銅的電阻溫度系數(shù)為線圈電阻損耗重新計算溫升第67頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月電感計算后的產(chǎn)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(jié)構(gòu)尺寸、絕緣等級、溫升等。其中導(dǎo)線的電阻、磁芯的參數(shù)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(guān)互相制約著，使得計算十分復(fù)雜。即使是計算好的電感永遠(yuǎn)是個近似值。沒有更好，只有最好。第68頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月【例題3】設(shè)計一個正激交錯變換器輸出濾波電感第69頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）設(shè)計參數(shù)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70頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月占空度極限占空度電感量第71頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月（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(yīng)密度為0.33T。選最大磁通過流時的最大磁感應(yīng)密度：第一象限工作磁密選為0.028T第72頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月磁芯損耗可以忽略，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(shù)如下：第73頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月磁芯的AP值需要的滿足要求第74頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）計算匝數(shù)取10匝（4）計算氣隙長度預(yù)設(shè)一個氣隙長度，進(jìn)行計算，再復(fù)核計算數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代，若干次后就接近目標(biāo)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75頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）計算導(dǎo)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(shù)較少，可以選用的電流密度可以相對高些。導(dǎo)線規(guī)格尺寸第76頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月直流電阻集膚深度導(dǎo)體的有效厚度與集膚深度的比值Q第77頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月電感電流為三角波，有效值為：第78頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月（6）線圈結(jié)構(gòu)導(dǎo)線帶漆皮直徑為2.36mm10匝導(dǎo)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79頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月（7）導(dǎo)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80頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月前述計算都按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(shè)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(shè)溫度增加到91°C,則迭代計算第81頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月實際線圈損耗電流連續(xù)模式的其他拓?fù)涞碾姼屑碆uck、Boost、Buck/Boost以及推挽、半橋和全橋輸出濾波電感設(shè)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(yīng)引起的交流電阻增加，初級與次級通常要分段交替繞制。第82頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月電流斷續(xù)模式直流濾波電感設(shè)計【例題4】第83頁，課件共97頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)計一個斷續(xù)模式反激變壓器，反激變壓器設(shè)計參