开关电源高频磁集成技术(陈为)-20071124

1开关电源高频磁集成技术陈为博士([e-mail])福州大学电气工程与自动化学院教授,博导中国电源学会变压器与电感器专委会主任台达能源技术(上海)有限公司技术主任2007电源网电源工程师交流会深圳,2007年11月24-25日2一、磁集成技术的基本概念二、磁集成的基本分析方法三、磁集成技术的应用实例主要內容3PlanarPlanarMatrixMatrixModuleModuleIntegratedIntegratedHybridHybridHighfreq.Highfreq.开关电源高频磁技术的发展Micro-fabricatedMicro-fabricated高频化平面化阵列化模块化集成化微型化合成化4磁集成技术的基本概念5研究如何利用各磁性元件磁路中的磁通分布特点以及各个绕组间的磁通耦合关系，将各种功能的磁性元件集成在一个复杂磁芯结构上。研究如何有效地、巧妙地利用磁性元件的杂散参数设计如何在产品上实现集成磁件的最佳应用，工艺制程，参数控制以及品质检测方法。研究如何利用各磁性元件磁路中的磁通分布特点以及各个绕组间的磁通耦合关系，将各种功能的磁性元件集成在一个复杂磁芯结构上。研究如何有效地、巧妙地利用磁性元件的杂散参数设计如何在产品上实现集成磁件的最佳应用，工艺制程，参数控制以及品质检测方法。缩小磁元件的尺寸降低磁元件的损耗减少磁元件的数量降低磁元件的成本提高开关电源的效率产生新的电路拓扑缩小磁元件的尺寸降低磁元件的损耗减少磁元件的数量降低磁元件的成本提高开关电源的效率产生新的电路拓扑磁集成的目的什么是磁集成技术6SRDMCD2ACMCPFCLTXTX开关功率变换器中的磁性元件7磁性元件与PCB的集成PCBMagneticsFilterchokeTransformerprimaryTransformersecondaryOutputinductorHybriddesignwithplanarmagnetics8FlybackTX/Inductor(Lm+TX)**LmTXTXwithlargeleakage(Lk+TX)**LkTX大家熟悉的磁集成CoupledInductorL+L=3L**L1L2ML1-ML2-MMDecoupling9差、共模滤波器的集成(LCM+LDM)CM:High-μ,LowsaturationDM:Low-μ,HighsaturationLCMLCMLDMiCMiCMiDMiDMΦDMΦCMΦDMiCMiCMCMiDMiDM10MotorolaPatent(1994)CMFluxDMFluxDeltaPatent(2001)00.10.20.30.40.50.60.70.80.900.10.20.30.40.50.60.70.8OperatingCurrent(A)Gap(0.48mm)Gap(0.4mm)Gap(0.32mm)Gap(0.24mm)Gap(0.16mm)Gap(0.08mm)LDM(mH)0246810121416182000.10.20.30.40.50.60.70.8OperatingCurrent(A)Gap(0.48mm)Gap(0.4mm)Gap(0.32mm)Gap(0.24mm)Gap(0.16mm)Gap(0.08mm)LCM(mH)CMDM差、共模滤波器的集成实例CMDM11Cuk电路电感的磁集成v1v2vivovivov1v2∵v1=v2vivo∴ϕ1=ϕ2ifN1=N2N1N2Vc∵Vc=Vi+Vo+-+-12v1v2vivovivov1v2v1=v2dtdiMdtdiLv2111⋅+⋅=Lvvv==12i1i2+-dtdiMdtdiLv1222⋅+⋅=eqLLvdtdi11=211111)1(LLkkkLLeq⋅−−⋅+⋅=eqLLvdtdi22=+-∞→eqL10121=−LLkif∞→eqL2ifML1L2122211)1(LLkkkLLeq⋅−−⋅+⋅=0112=−LLk)1(21kLLLeqeq+⋅==LLL==21ifInputzerorippleOutputzerorippleRipplereducedZerorippleconditions磁集成Cuk电路的纹波减小与零纹波条件By:Cuk,SlobodanM.US4257087Date:March17,198113隔离型Cuk电路的磁集成By:Cuk,SlobodanM.US4257087Date:March17,198114倍流整流(CDR)电感的集成(L+L)Non-coupled(Lm=0,Lk)VoTrD1D2LkNpNsLkDvst0~~~~~~ttt~~t~~~~ttΔi1Δi2ΔioΔi1Δi2ΔioDt0Fullcoupled(Lm∞,Lk)VoTrD1D2LkNpNsLk15倍流整流(CDR)电路的磁集成(TX+L+L)So,NscanberemovedIL1IoIL221LLII+VNs=VL2-VL1ϕNs=ϕL2-ϕL1@NS=NL1=NL2PatentNo.US5784266,199816i1VoΦ1i2NpNpΦ2ΦcΦC=Φ2-Φ1i1VoΦ1i2NpNpΦ2ΦC=Φ2+Φ1ΦC=Φ2+Φ1i1VoΦ1i2Φ2ΦcNpΦci1VoΦ1i2NpNpΦ2ΦcLargerLm☺LessΔBincentralleg☺ReverselycoupledofL☺BDCcanceledinoutsidelegs☺LargerLmofTX☺LessleakageofTXBDCexistsincentrallegLongerPri.windingwireLislimitedbyTXturn-ratioPolaritiesreversedinonelegP-windingsplitinto2outerlegs倍流整流电路的磁集成的改进17倍流整流电路的磁集成的进一步改进LislimitedbyTXturn-ratioLargerΔioabababReduceΔiofurtherbyextraL0inoutputΔioΔioIntegrateL0incentrallegUS6549436File:Feb.21,2002US2002/0075712File:Dec.18,200018US6873237File:Apr.18,2002DateofPatent:Mar29,2005US7280026File:Aug.19,2004DateofPatent:Oct.9,2007倍流整流电路的磁集成的扩展应用Two-modulesof“IntegratedCDR”interleaved19正激开关变换器的磁集成DiscretemagneticsNp1Np2NLNsIntegratedmagneticsΦgΦsΦp:FluxfromInputΦg:FluxforFlybackoutputΦs:FluxforForwardoutputΦpSS20VRM电压调整模块的电感耦合磁集成+M0oVinVoL1S11S22180oS12S21Vg1Vg2L2i1i2io0o180oVinVoL1S12S22S11S21Vg1Vg2L2i1i2io0~DVg1Vg2i1i20.5~0.5+D1Reverselycoupling:可以改善动态性能，而不影响静态性能。Lk总电流纹波或动态性能；Lm&Lk各支路电流纹波或静态性能。021变压器与变压器的磁集成Φ1Φ2Φ1Φ2TwoTXscoupledΦ/2P1S1P2S2P1S1P2S2P2S2Φ/2P1S1P1S1ΦΦ1Φ2P1S1P2S2TwoTXsde-coupledbutlessLm☺TwoTXsde-coupledwithlargeLmTwoTXsdiscrete22磁集成电路的基本分析方法231)CalculateD,△φ,△Bbyelectriccircuitmodel2)Calculate△ip,△is,△iLbymagneticcircuitmodel3)CalculateipDC,isDC,iLDCbyelectriccircuitmodel4)CalculateBdc0,Bdc1,Bdc2bymagneticcircuitmodel5)Calculateip(t),is(t),iL(t)andB0(t),B1(t),B2(t)6)CalculatelossesPw,PcoreNpNsN1B0B1B2ipisiLip(t),is(t),iL(t)B0(t),B1(t),B2(t)Electriccircuit+MagneticcircuitECK+MCK磁集成电路的分析–磁路电路综合分析24IntegratedMagneticsmodelsarebuiltfordynamicsimulationbySaberIMSabermodel40usOutputvoltageLoadcurrentFluxesineachcorelegDynamicresponse磁集成电路的分析–仿真分析25电磁场分析基本理论DtJH∂∂+=×∇BtE∂∂−=×∇0=⋅∇Bρ=⋅∇DEDε=HBμ=EJγ=JH=×∇BtE∂∂−=×∇0=⋅∇BHBμ=EJγ=IdlH=⋅∫∫∫∫⋅−=⋅dSdtdBdlE0=⋅∫∫dSBAmpere’sLawFaraday’sLawFluxContinuityMaxwellEquationsDifferentialformsIntegralformsPhysicalLawsAmpere’sLaw:线圈上的激磁电流安匝磁芯内的磁动势，磁场强度Ampere’sLaw:线圈上的激磁电流安匝磁芯内的磁动势，磁场强度Faraday’sLaw:线圈上的感应电动势磁芯内的磁通量，磁通密度Faraday’sLaw:线圈上的感应电动势磁芯内的磁通量，磁通密度26dtdBAeNdtdNdtdu⋅⋅=Φ⋅==ψAmpere’sLawFaraday’sLawFluxContinuityΦ0Φ1Φ2iivΦ210Φ+Φ=ΦmeulHNi=⋅=⋅磁路分析基础ΦiUmVΔΦ=VT/NUm=I*NMagneticCircuitElectricCircuitΗ27ΔΦacΔUacΔIacΔBacVNpV0DTsV1DTsΦ0acΦ1acΦ2acpacNTsDV⋅⋅=Φ00111NTsDVac⋅⋅=Φacacac102Φ−Φ=Φ000AeBacacΦ=111AeBacacΦ=222AeBacacΦ=Φ0acΦ1acΦ2acRm1Rm2Rm0acmacmacRRU22000Φ⋅+Φ⋅=ΔacmacmacRRU22111Φ⋅−Φ⋅=ΔpacacNUI00Δ=Δ111NUIacacΔ=Δ交流电压激励分析V*TΔΦD+=ΔΦD-Voltagetransferratio,Vo/Vi电压转换比：28ΙdcΦdcΒdcΙdc*NNpI0dcI1dcΦ0acΦ1acΦ2acΦ0dcΦ1dcΦ2dcRm1Rm2Rm0I0dcNpI1dcN1000AeBdcdcΦ=111AeBdcdcΦ=222AeBdcdcΦ=202201121000//1//mmmmmmdcmmmdcdcRRRRRRNIRRRNpI+⋅+⋅++⋅=Φ201121221001//1//mmmdcmmmmmmdcdcRRRNIRRRRRRNpI+⋅++⋅+⋅=Φdcdcdc102Φ−Φ=Φ直流电流激励分析29ViVoiiNp**ipisD−+=DDiipDpsDsNiNi⋅=⋅−+NsN−+Φ=ΦDDNpipisii(t)DDipisD()()222121−−++⋅=⋅DDDDiLiLlANLDeD20−−=μμlANLDeD20++=μμ2211μμμllle+=l1l2−+=DDii21μμ−+=DDEE开关换流过程分析30有源钳位正激磁集成变换器分析NpNsN1ViVcVoioipi1ΦoΦ2Φ1is**31有源钳位正激磁集成变换器分析-交流分析piacNTsDV⋅⋅=Φ+0101)(N