DCDC变换器中磁性元件的设计

DC/DC变换器中磁性元件的设计目录摘要.....................................................................1ABSTRACT...................................................................11绪纶.....................................................................11.1变压器设计概述.......................................................11.2电感设计概述.........................................................31.3磁集成技术简介.......................................................41.4本文选题意义和研究的内容.............................................42DC/DC变换器磁性元件设计理论及其设计方法.................................52.1磁性元件损耗、漏磁、散磁分析及其设计原理.............................52.2DC/DC变换器磁芯工作状态..............................................72.3各类DC/DC变换器中磁性元件设计方法...................................82.4磁性元件结构和工艺设计..............................................123磁集成技术..............................................................133.1集成磁件的分析方法..................................................133.2集成磁件具体应用——磁件的集成......................................153.3磁集成方式..........................................................164ZVS-ZCS三电平DC/DC变换器中磁性元件设计................................174.1ZVS-ZCSTL工作原理和磁件参数计算....................................184.2磁性元件设计........................................................194.3实验验证............................................................235结语...................................................................24致谢......................................................错误!未定义书签。参考文献..................................................................25DC/DC变换器中磁性元件的设计1DC/DC变换器中磁性元件的设计摘要：磁性元件是DC/DC变换器中的关键部分，它决定了变换器体积效率等多方面性能。本文结合几种典型的DC/DC变换器归纳了磁性元件分析与设计的方法，得出了磁性元件设计原理；对DC/DC变换器（正激式、反激式、半桥全桥以及推换式）按磁芯工作状态分类，分别介绍了各类磁性性元件设计过程；并对磁件结构和工艺进行了研究;而后分析了集成磁件分析与建模方法，以及磁件集成的推导过程。最后结合ZVS-ZCS三电平DC/DC变换器对磁性元件进行了设计，介绍了具体设计过程以及三电平变换器。关键词：磁性元件、DC/DC变换器、磁集成技术、三电平、倍流整流。Abstract:MagneticelementisoneofmainpartsinDC/DCconverter,whichdeterminesseveralkindsofperformanceofconverterssuchasvolumeandefficiency.Thispapersummarizesthemeansofdesigningandanalyzingmagneticcomponentsandobtainsthedesigningprinciple.AccordingtodifferentfunctionalmodesofmagneticcoreofDC/DCconverters(Forword,Flyback,Halfbridge,Full-bridgeandPush-pullconverter),variousdesigningprocessarepresentedrespectively.Thenitanalyzesthestructureofmagneticcomponentsandcrafts.Themethodsofmodelinganddeducingofintegratedmagneticelementsarealsopresented.Inaddition,itdesignsthemagneticcomponentsandintroducesTLconvertercombiningZVS-ZCSTLDC/DC.Keywords:Magnetic,DC-to-DCconverter,Magneticintegration,Threelevelconverter,Currentdoublerectify1绪纶磁性元件是开关电源中重要的组成部分，它是能量储存与转换、电气隔离与滤波的主要器件。它从以下几个方面影响了变换器的整体性能：①磁性元件是影响变换器体积和重量的主要因素②磁性元件参数的选取直接影响变换器的输出电流脉动和动态性能③磁性元件直接影响变换器效率④磁性元件寄生参数直接影开关管的电流应力和压降因此开关变换器设计的成败很在程度上取决于磁性元件的设计正确设计和制作。磁性元件设计涉及诸多因素，设计结果不唯一，正确的设计不仅包括参数的计算，还包含结构、工艺设计等问题。高频化、平面化、集成化、混合化是高频磁技术发展的趋势。常用提高频率的方法来减小磁件的体积、重量、改善滤波性能；但是频率的提高会受到整机效率的限制，高频时为了减小磁芯损耗，要降低磁通摆幅，所以磁芯利用率不高限制了磁性元件体积的减小。为了进一步减小磁件的体积和损耗，同时保证整机的性能，从而提出了磁集成技术。1.1变压器设计概述要使变压器效率高、体积小、成本低、寄生参数影响少，必须科学合理的设计变压器。在给定绝缘等级和应用环境条件下，选取较高的ΔB值，可以减少匝数，但磁芯损耗Pc增加；线圈匝数减少，导线电阻减少，线圈损耗PW下降；反之，Pc增加，而PW减少，当PW＝PC时变压器损耗最小，体积也最小。因此要选用最合适的磁性材料和磁芯型号。为了减小漏感、激磁电感等寄生参数，就得采用合理的结构和制作工艺.DC/DC变换器中磁性元件的设计21.1.1变压器设计过程首先确定设计参数，选择磁芯；再确定原副方匝数及线径，计算损耗和温升并校验；最后进行结构和工艺设计.⑴所要确定的设计参数有：开关频率、输入电压、输出电压/电流、温升和最大损耗限制、占空比限制工作条件等。⑵按开关变换器特点和磁芯不同的工作状态选择磁芯材料和形状.①根据磁芯在变换器中四种不同工作状态：有直流偏磁的单向磁化，无直流偏磁的单向磁化，双向磁化和饱和电感磁化变换器.将磁芯工作状态分为四类.②软磁材料的主要性能参数及主要应用方向如下表:表1.1磁性材料性能及主要参数③不同磁芯结构特点如下：表1.2不同结构磁芯特点⑶选择磁芯型号的方法：①Ap法：由公式14110ApXTofwwjPKKfBK＝计算出Ap值，根据Ap并留一定余量选取磁芯型号。窗口使用系数K0一般取0.4；波形系数Kf为4/4.44;电流密度系数Kj查表可得；工作频率fw已知。PT为视在功率，按变压器结构和效率确定。工作磁感应强度Bw按工作态和所用磁性材料确定。受饱和磁感应强度和磁芯损耗限制。与工作频率和温度有关，一般的铁氧体材料Bw取值为25kHz—3000Gs50kHz—2000Gs100kHz—1500Gs200kHz—1000Gs磁芯优点缺点EE型磁芯具有较大矩形截面积，宽窗口，形状简单，制造容易，扩展功率容易，可作为大功率变压器磁芯。矩形截面粗导线绕线困难和窗口利用差。ETD型和EC型磁芯具有圆形中心柱截面，绕线匝长较矩形截面短。易于实现机械化。宽而大的窗口，耦合好，相同处理功率情况下可得到最佳的尺寸和重量.但不能象矩形截面宽展功率P（罐）型磁芯罐型磁芯具有优良的磁屏蔽性能，线圈长度短。适用于低功率。出线缺口小、出线困难同时高压隔离难。环型磁芯宽的窗口，散磁通少，线圈耦合好，散热也好。但绕线困难。材料硅钢片金属磁粉芯叵莫合金非晶微晶Mn-ZnNi-Zn应用频率(Hz)50-1k1k-100M20kHz1k-300k2M1Mμi10310-500103-410k-100k800-150005-1500Bs(mT)1500-2000700-1500700-15001200-1500350-500250-350Tc(℃)300300300200-600120-250120-450主要应用变压器电抗器电感音频变压器脉冲变压器变压器电感变压器电感变压器电感DC/DC变换器中磁性元件的设计3图1.3铁氧体材料特性曲线②Kg法，224102TswPKgfBaKe2f其中:Ke=0.145K，a为电压调整率。根据Kg值查表与Ap法类似。③查表法，根据变换器输出功率Po和变换器种类，直接用厂家提供的磁芯选择图或表进行选择。④经验设计法，开关电源变压器选择铁氧体磁芯体积的一般经验：按100kHz以内普通变压器3-10W/g、100-500kHz平板变压器10-20W/g选择；变压器功率越大，体积越大，取值可以越大；变压器工作频率越高，取值可以越大；散热条件越好，取值可以越大。⑷原副方匝数及线径。①原方匝数按minmaxVsTonNpBAe或1fsweVNpKfBA＝确定。再按主电路拓扑计算匝比K，从而得出副边匝数。其中B要根据图1-1、图1-2按磁芯损耗和饱和限制选取，②导线型号确定.电流密度J一般取4-6.5A/mm2,还要考虑集肤效应.当导线截面积小于集肤深度时，交流电阻与直流电阻比值很大，线圈损耗大，导线利用率低。要用多根细导线并联。⑸损耗、温升及最大磁感应强度计算并校验。变压器损耗包括磁芯损耗Pc和线圈损耗Pac+Pdc。Pc按图1-1b比损耗曲线由磁通摆幅频率得到比损耗k,Pc=kVe。Pac=I2Rac,Pdc=I2Rdc.Rdc由所用导线长度和电阻率得出，Rac与Rdc的比值和集肤深度有关。温升thTRP，thR为热阻系数，P为变压器总损耗。再计算最大磁感应强度看是否饱和。⑹变压器结构和工艺设计。1．2电感设计概述电感设计方法与变压器设计方法类似，一般工作在I类状态。直流分量大，交流分量小。线圈损耗远大于磁芯损耗，防止磁芯饱和是考虑的主要因素。因此常选择铁氧体材料DC/DC变换器中磁性元件的设计4开气隙或用磁粉芯制作电感。体积最小，成本最低的电感是设计追求的目标。体积最小意味着磁芯利用最好，损耗最小。在特定的应用条件下，最佳磁芯利用率（最小体积）与最佳气隙长度有关（分布气隙的磁粉芯是有效磁