功率變換器磁元件高頻化的挑戰(zhàn)與對___20180526

1、 功率變換器磁元件高頻化的挑戰(zhàn)與對策陳為博士福州大學電氣工程與自動化學院 教授、博士生導師中國電源學會常務理事、磁技術專委會主任委員 全國磁性元件與鐵氧體材料標準化技術委員會（磁標委）委員IEC/TC 51 WG9（磁性元件）中國對口專家組召集人 2018.05.26 北京 功率變換器的廣泛應用領域直流母線通訊設備/ 服務器有源諧波/ 無功補償PFC電網POL負載點電源隔離/變壓電能質量AC/DC變換器 逆變器 DC/ACLED照明穩(wěn)壓馬達傳動電動汽車筆記本/ 便攜終端新能源AC/DC適配器 變頻器 AC/ACVRMCPU電源 AC/DC一次電源 DC/DC二次模塊D

2、C/DC變換器 AC/DC充電器 開關功率變換器基本原理Vo= toffIL (Vi -Vo )= ton電感開關iiLLLLVVi oVt二極管iL= -i= d o onLton + toffVi控制VLVLVo ViVoViVgstofftonVLV -Vio-VoILitp 通過間斷控制能量輸入實現電能形式變換 p 半導體開關是最關鍵器件 p 電感器作為磁儲能元件必不可少 p 變壓器作為電氣隔離和變壓元件必不可少 功率變換器技術的發(fā)展高效率，高密度，高可靠，低價格，低高度與磁元件都有關系高壓化高溫化低損耗高頻化集成化最優(yōu)化標準化模塊化數字化噪聲源反激電路無橋PFCLLC電路 全橋移相

3、多電平 碳化硅SiC氮化鎵GaN三“高”兩“低”精密化 自動化 場耦合 濾波器 芯片化簡單化高速化制程工藝 電磁干擾 磁性元件 控制技術電路拓撲開關器件 綠色電源要求(IEEE-519)諧波電流要求電磁兼容要求環(huán)境保護要求綠色電源空載損耗要求綜合能效要求負載效率要求加州效率歐洲效率中國效率負載（%）負載 5%10%20%30%50%75%100%權重 0.020.030.070.15負載 5%10%20%30%50%/100%權重 0.030.08/0.20效率 80255075100白 銅 銀 金 白金 負載 轉換效率%20%808285879

4、050%8088888992100%8085858789負載 /10%20%30%50%75%100%權重 /0.040.030.05 磁性元件在電源中的重要性v 高頻磁性元件/磁技術已經成為功率變換器進一步發(fā)展的瓶頸 v 磁技術已經成為當前開關電源主要關注內容 p 尺寸、重量 p 形狀、高度 p 安規(guī)、耐壓 p 客制化設計 p 損耗、溫升 p 人工成本 p 參數一致性 p 磁件測量 p 電磁兼容 p 其他各項性能 磁元件對變換器效率特性的影響控制芯片電容二極管PCB磁元件開關器件效率%磁芯損耗I0100繞組損耗I290磁元件(磁芯+繞組)80功率%4060208010

5、0v 磁元件損耗特性對變換器效率和節(jié)能規(guī)范具有重要影響 v 磁性元件的精確損耗模型是優(yōu)化設計的基礎 損耗來源 磁芯材料的磁能傳輸能力U = 4.44 f (N A) Bf B: 在一定功耗下傳輸磁能的能力大載重，低車速 f x B 60000小載重，高車速4500030000載重 B車速 f在低頻下：飽和是主要限制因素在高頻下：損耗是主要限制因素f100k500k 1M目前高頻磁芯材料滯后開關器件的高頻化發(fā)展及產品需求； 但高頻高密度,也為磁性元件提出了更高要求和更多機會。 磁芯損耗的測量與模型VLVL各種實際勵磁波形不對稱PWM對稱PWMPX800012-bit A/D精度 100MS/s采

6、樣率20MHz帶寬。 正弦VLBBH交流功率計法復合波形(逆變/PFC)HP =| U | +| I | +tg(q) f | t|PUIp 高頻率f 和阻抗角q 對電氣損耗測量精度影響很大 p 實際勵磁波形非正弦且高、低頻復合勵磁 MaterialB(T)f(kHz)mrPcv(kW/m3)q (o)Powder磁粉芯 Magnetics HF600.1506040088.9Magnetics XFlux600.1506060088.4Magnetics KM600.1506036089.0Magnetics MPP600.1506015089.6Ferrite鐵氧體 Ferroxcube

7、3C960.2100550030080.6Ferroxcube 3C960.110055004085.0 磁芯損耗模型p 無直流偏磁工況磁芯損耗p 不同占空比D下磁芯損耗p 有直流偏磁下磁芯損耗Hdc1+ k B-d1 ()bab= (k1 f + k2 f) Bmk B-d2P1mP= P 2mcv _ accv_ dccv_ acHbll1+ ()dc-d 1 1 k Bb= k(+)(k f + k f a ) BP2pwm_nb12m2m1- D D10000實實-f=50kHz實實-f=100kHz 實實-f=150kHz 實實-f=200kHz 實實-f=250kHz 實實-f=3

8、00kHz 模 模 -f=50kHz 模 模-f=100kHz 模 模-f=150kHz 模 模-f=200kHz 模 模-f=250kHz 模 模-f=300kHz 1000 100 100.1B (T)m頻率f,交流磁密Bm頻率f,交流磁密Bm 勵磁波形D頻率f,交流磁密Bm 勵磁波形D 直流偏磁HdcP (kW/m3)cv 高、低頻復合勵磁下磁芯損耗0.380.19750.0150.1675- 0.35- 50- 22.5532.560高頻疊加低頻復合勵磁損耗=低頻損耗（無偏磁正弦）+ 各周期高頻損耗（考慮占空比及偏磁的變化） 1 ll1ab= k ( D + 1- D ) (k1 f+

9、 k2 f) BmPpwm_nb= (k f + k f a ) BbPcv _ ac12mHdc1+ k B-d1 ()bk B-d21mP= P 2mcv_ dccv_ acHb1+ (k)dc-d22 B m 繞組高頻渦流損耗機理與效應J(r)H(t)H(t)Jeddyrr-R0i(t)RJsourceJtotal = Jsource + JeddyH(t)Jeddy氣隙渦流效應導致電流密度分布不均勻，從而引起損耗增加， 渦流效應引起進入導體磁通被抵消，從而引起磁通下降。 鄰近效應 JtotalJeddyJsource集膚效應 銅箔繞組交流損耗特性P62 .1064 .10666 .10

10、8 .10f71 .100204060801000 44 .10 46 .10 48 .10 4DH1v 繞組交流電阻隨頻率的提高而增大； v 繞組交流電阻隨所處磁場強度的增大而增大； v 繞組交流電阻隨銅箔寬度/導線線徑變化存在一個最小損耗點。 H1=0f=100Kf=100KH1= 高頻下最優(yōu)線規(guī)與損耗密度/溫升1500kHz0.8300kHz頻率提高0.6損耗P0.4100kHz0.2導體尺寸（面積A）044442 .104 .106 .108 .10p 頻率提高，最優(yōu)導體銅面積減小，但損耗增加，因此損耗密度 （溫升）顯著增大。 p 使得磁性元件的設計思路向著損耗設計和溫升設計發(fā)展。 電

11、氣設計為主 損耗設計為主 溫升設計為主 多股絞線各股均流原理沒有絞的多股并聯(lián)導線EMFI1IBI2B: 外部磁場I1I2有絞的多股并聯(lián)導線EMFBI1II2I1=I2里茲線（Litz wire）里茲線參數：股徑，股數，絞距，絞制方式。 多股絞線渦流損耗機理低頻高頻單股線絞線對多股絞線的每一股來說，集膚效應大大減弱了，但存在其它股電流對其的鄰近效應（內部鄰近效應）。股數越多，內部鄰近效應越強。 集膚效應減小， 內部鄰近效應增大 集膚效應較大， 沒有鄰近效應 Litz線損耗與線規(guī)優(yōu)選p 同心絞線 (Bunch strained wire of Litz)p 復合絞線 (Rope Lay strai

12、ned wire of Litz)前兩種的綜合 450400350300250200150100500RLitz wire (0.2*25)Litz wire (0.1*100)Case3Case2Solid wire(1.0*1)Case1電流在全部各股均勻分配 電流僅在同一圓周各股均勻分配 104008001200f (kHz)p 頻率提高 Litz線廣泛應用，且線規(guī)選擇更加重要 p 對于復合絞線，有計算/仿真模型，線規(guī)選擇基本有依據p 但對于同心絞線，目前還沒有計算模型，損耗難以評估 P 磁性元件精細化設計要求m N AP2T = ( )S0.8

13、33L = e le1864204444.2 10 4 10 6 10 8 10電氣可行性電應力空間可行性效率/功率密度溫升規(guī)范EMC規(guī)范EMI設計 熱設計 損耗設計 雜散參數 電氣設計 結構設計 磁性元件的最優(yōu)機會(x) = k H1 coshk(d - x) - H2 cosh(kx)Jysinh(kd )理論模型1+ k B -d1 ( Hdc)bk B-d 21mP= P2m1、損耗模型Hdcb-d )cv_ dccv_ ac1+ (k2 Bm 2仿真模型p 單體/綜合優(yōu)化2、優(yōu)化算法待優(yōu)化參數 3、優(yōu)化過程優(yōu)化算法優(yōu)化目標5040Mathcad 損耗計算程序 302010變壓器匝比約

14、束條件 磁密、窗口等約束條件 0010002000300040005000Designed ID損耗模型的準確有效與實用最為關鍵 繞組損耗/線規(guī)優(yōu)化 單磁元件磁芯、繞組組合優(yōu)化 多磁元件綜合優(yōu)化 平面化磁件與PCB線圈分析與設計f=500KHzPCB winding spec.: Turn ratio: 4:1Copper thickness: 4 oz. Copper width: 5 mm設計3Insulation thickness: 0.15 mm 設計2復雜的串并組合設計1fFrequencyp 多層PCB繞組設計十分靈活，但排布及連接方案（串、并組合）眾多， 且需要綜合考慮損耗、漏

15、感以及分布電容。 Rac () 磁性元件的陣列化技術.多柱磁芯 陣列化有助于降低高度，改善散熱，易于處理接頭，但繞組長度增長。 AA/2A/4. 磁元件的本質是高頻電磁場 半導體開關(電場+電流場)34原、副邊電荷漏磁通 磁芯損耗副邊電荷原邊電荷繞組損耗激磁磁通 磁場分布im2電場分布1sip is13？NpNs24理想變壓器實際變壓器 磁性元件是高頻磁場+電場+電流場的復雜綜合體 磁性元件的寬頻段模型磁性元件內部參數外部參數？電氣模型高頻模型EMI模型電感阻抗特性磁場泄漏/耦合電場感應/耦合 隨著高頻化，磁元件分布參數的作用增強，必須面對 控制分布參數降低電壓振蕩/電流沖擊LkCpLmVi+

16、Vo*nVdsCdsVdsViLkCpLmipVdsCdsLkipLmipLkCpn:1CpLmCds 寄生參數影響開關管電壓/電流振蕩，影響噪聲源 Cds 功率變換器磁集成技術p 變壓器 正激變壓器反激變壓器 中間抽頭變壓器p 電感器直流電感器諧振電感器PFC電感器逆變電感器薄膜電感器 推挽變壓器SRLTXPFCDMCCMCp 濾波器差模電感 共模電感 復合濾波器 p 集成磁件電感+電感 變壓器+電感 變壓器+變壓器濾波器+變壓器濾波器+電感 差共模集成電感解耦集成耦合集成減小體積減小磁通減小紋波 D2A 磁集成技術-通過電感耦合降低紋波LLL沒耦合正耦合反耦合MMLL正耦合：繞組電流紋波減

17、低反耦合：繞組電流紋波增大當兩繞組勵磁電壓相同相位時 D1正耦合：繞組電流紋波增大反耦合：繞組電流紋波減小當兩繞組勵磁電壓相位交錯時 DD1L 倍流整流(CDR)電路的耦合電感L1L1 Tr Tr VoVoD1D1 NpNsNpNsD2D2 L2L2VsVstti1 i1tti2 i2tiott iot沒有耦合(Lm0, L1=L2=Lk)全耦合(Lm 無窮大, L1=L2=Lk) 通過變壓器與電感耦合降低紋波NpNL 降低輸出電流紋波或實現輸出零紋波 NsUinLUoxS2SR2S1SR1ux-iLx+ipNpNT1 iLm+um-pLxNpLmRppRLFLiLNRxFxT N 2LLoi

18、L +iNss+U-SiLo2+us-+u-LinUoS1SRSR12 N= R- R-LLLLxx p 電路理解：通過耦合，轉移電流紋波 p 磁路理解：調整中柱氣隙磁阻Rx， 滿足i .N =0, 實現電流零紋波 L L 電磁干擾問題的重要性p 濾波器體積對功率密度影響大p EMI噪聲本身越來越嚴重噪音源基波和諧波頻率提高 噪音源高頻諧波分量增多 元器件之間近場耦合作用加強 EMI標準更嚴格(醫(yī)療，汽車，觸屏等) 開關頻率提高 開關速度加快 功率密度提高 環(huán)境友好要求 p EMI解決方案影響開發(fā)成本和時間不達標樣機符合標準設計濾波器EMI測試 功率變換器電磁干擾問題RE接收天線輻射(RE)近

19、場耦合EMI濾波器負載輸出線負載CE接收網絡電網傳導DM傳導CM功率變換器被擾體傳輸路徑干擾源n:1p 磁性元件是EMI噪聲源和噪聲阻抗的寬頻段復雜綜合體 p 磁性元件內部分布參數及外部電磁泄漏對EMI有關鍵影響p 從磁性元件著手是分析EMI問題以及整改的很有效途徑 Lm電源輸入線Filter 通過電感分布電容降低提高帶寬和阻抗 p 通過繞線排布降低分布電容 C0LRCpn -1 1C= 4 Cn 層 m 段E0n2m23 p 通過新型繞線降低分布電容 提高PFC電感的差模濾波能力（電感+差模濾波器） 通過變壓器共模噪聲抵消降低共模電容-CspLISNx-VsNsNp V(x)L+Q-sp VpCpsN-QQ=Q -QpscmpsspG0Vo*n+ViVpVsVo計。-Vi/n 提高變壓器的共模抑制能力（變壓器+共模濾波器）當設計滿足Qps=Qsp 時， 變壓器的共模噪音抵消為零，從而實現無Cy設 調整變壓器共模有效電容的各種方法Csp(d)xCps2xCps(x)Csp(x)xCspHot pointdCYPSp 外加補償電容p 調整絕緣層厚度UpPSp 調整屏蔽體面積6