电感变压器设计课件.ppt

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1、磁元件设计共性问题,1,电感及变压器设计,磁元件设计共性问题,a,2,气隙的作用,磁元件设计共性问题,3,Comparative core usage of asymmetrical and symmetrical converters.,磁芯带有气隙后，等效的磁导率降低了。线性度比原磁化曲线好得多。磁芯的剩磁(Br)大大下降了。,磁元件设计共性问题,4,气隙磁路计算,大气隙磁芯会导致边缘效应增大，匝间漏电感和杂散电容增大,磁元件设计共性问题,a,5,电感和变压器设计的共性问题,磁元件设计共性问题,6,电感和变压器设计,磁元件设计共性问题,7,电感和变压器设计,是否算出电感的L和变压器的NP

2、/ NS就可以了？,我们知道电感要求的是: 电感量 L变压器要求的是: 原副边匝数比NP / NS,L,NP,NS,回答三个问题：1. 对于一个50Hz的工频变压器：220V / 110V, NP / NS 等于2是一定的. 那么NP取多少合适? 2匝? 100匝? 4000匝? 或是其它匝数? 为什么?2. 有两个50Hz的220V / 110V 变压器, 一个容量50W, 一个是100kW.在工业应用中, 它们两个的大小相同吗? 为什么?3. 同样50W的两个变压器, 一个是50Hz工作, 一个是50kHz工作. 两个的大小一样吗? 在工业应用中, 可以采用相同材料的铁芯吗?,磁元件设计共

3、性问题,8,电感和变压器设计,设计电感和变压器要考虑的问题?,3. 铁芯材料问题(铁耗(体电阻和磁滞回线),涡流损耗(eddy loss)和磁滞损耗(hysteresis loss),4. 居里温度(curie temperature),1. 铜耗问题(直流电阻和交流电阻),磁元件设计共性问题,a,9,电导体设计,磁元件设计共性问题,10,电感和变压器设计,一. 电导体的设计(直流电阻和交流电阻）,无论变压器还是电感, 导体材料一般采用电工铜, 偶尔也采用铝等材料.形式为导线或铜箔。,1. 直流电阻(金属, 不接近熔点和0K时),其中,20oC时的工业纯铜,T温度，oC,电阻率 (mm2/m,

4、温度系数(1/oC),20oC时的工业纯铝,(mm2/m,磁元件设计共性问题,11,电感和变压器设计,一. 电导体的设计(直流电阻和交流电阻),2. 交流电阻的成因(集肤效应),磁元件设计共性问题,12,集肤效应（也称趋肤效应(skin effect)）,当导线中通过交流电流时，因导线内部和边缘部分所交链的磁通量不同，致使导线表面上的电流产生不均匀分布，相当于导线有效截面减少，这种现象称为集肤效应。,磁元件设计共性问题,13,电感和变压器设计,一. 电导体的设计(直流电阻和交流电阻),kAC趋表系数:与频率、材料的性质、导线形状有关,磁元件设计共性问题,14,电感和变压器设计,4. 交流电阻分

5、析(集肤效应),穿透深度(penetration depth)：由于集肤效应，交变电流沿导线表面开始能达到的径向深度。可以表征导线有效截面的减少。,一. 电导体的设计(直流电阻和交流电阻),电流在导体的表面密集分布，中心部位电流密度很小，使导体有效导电面积减小，因而交流电阻要大于直流电阻,磁元件设计共性问题,15,电感和变压器设计,5. 交流电阻分析(集肤效应的穿透深度pd),一. 电导体的设计(直流电阻和交流电阻),磁元件设计共性问题,16,电感和变压器设计,6. 交流电阻分析(铜导体的穿透深度d与电流频率 f 的关系),为了减小交流电阻, 综合考虑集肤效应的电流密度递减性,以及温度带来的影

6、响, 我们一般取铜导体的厚度或(直径)为d (mm，毫米),一. 电导体的设计(直流电阻和交流电阻),磁元件设计共性问题,17,电感和变压器设计,8. 电导体的设计导体截面的选择,导体截面的选择， 两个因素：A. 导体的厚度或(直径)为d (mm，毫米)小于23倍穿透深度B. 导体允许的电流密度 j (A/ mm2, 安培 / 平方毫米),一. 电导体的设计(直流电阻和交流电阻),线圈振动,多层并绕,邻近效应随绕组层数增加呈指数规律增加,合理布线,磁元件设计共性问题,18,英规导线(AWG),磁元件设计共性问题,a,19,磁性体的选择,磁元件设计共性问题,20,电感和变压器设计,二. 铁芯材料

7、的选择(铁耗(涡流损耗和磁滞损耗),铁芯的选择要考虑三个因素: (1) 工作频率, (2) 磁化方式(单边磁化还是双边磁化), (3) 价格,磁元件设计共性问题,21,电感和变压器设计,二. 铁芯材料的选择(铁耗(涡流损耗和磁滞损耗),磁元件设计共性问题,22,电感和变压器设计,二. 铁芯材料选择( 铁耗(涡流损耗和磁滞损耗),2. 开关电源的磁性材料,变压器和谐振电感: 锰锌铁氧体、非晶磁芯电感扼流圈：铁粉芯、锰锌铁氧体、镍芯铁氧体、非晶磁芯共模抑制器或尖峰抑制器：高导磁率的锰锌铁氧体、非晶磁芯等,磁元件设计共性问题,23,电感和变压器设计,三. 变压器的损耗(铜耗、磁滞损耗和涡流损耗),磁

8、元件设计共性问题,a,24,变压器设计,面积相乘法（AP法）几何参数法（KG法）,磁元件设计共性问题,25,一、面积相乘法（AP法）,磁元件设计共性问题,26,变压器设计,一、面积相乘法设计,Ae:有效铁芯面积Aw：窗口面积,磁元件设计共性问题,27,相关概念,1.功率容量：半个窗口的容量2.有效磁芯面积：截面积3.窗口面积：4.窗口利用系数：铜导线所占面积5.散热面积：磁芯散热面积+线圈散热面积,磁元件设计共性问题,28,变压器设计,一、面积相乘法设计,磁元件设计共性问题,29,变压器设计,B的计算,一、面积相乘法设计,单向励磁电流,双向励磁电流,磁元件设计共性问题,30,变压器设计,一、面

9、积相乘法设计,磁元件设计共性问题,31,变压器设计,一、面积相乘法设计,磁元件设计共性问题,32,变压器设计,一、面积相乘法设计,2. 磁芯窗口面积AW的使用(续),磁元件设计共性问题,33,变压器设计,一、面积相乘法设计,磁元件设计共性问题,34,变压器设计,一、面积相乘法设计,磁元件设计共性问题,35,变压器设计,一、面积相乘法设计,4. 电流有效值IP和IS的计算,磁元件设计共性问题,36,变压器设计,一、面积相乘法设计,4. 电流有效值IP和IS的计算(续),磁元件设计共性问题,37,变压器设计,一、面积相乘法设计,(7),磁元件设计共性问题,38,变压器设计,一、面积相乘法设计,6.

10、 电流密度 j 的的取值,磁元件设计共性问题,39,例题,推挽方式工作输入电压：28V输出中间抽头，全波整流输出电压：18V输出电流：5A工作频率：40kHz效率：0.98工作磁密：0.3T,磁元件设计共性问题,40,二、几何参数法（KG法）,磁元件设计共性问题,41,变压器设计,二、变压器的设计方法之二几何参数法,磁元件设计共性问题,42,变压器设计,二、变压器的设计方法之二几何参数法,线路分布电阻的集中表示,磁元件设计共性问题,43,变压器设计,二、变压器的设计方法之二几何参数法,副边压降,原边压降折算,磁元件设计共性问题,44,变压器设计,二、变压器的设计方法之二几何参数法,磁元件设计共

11、性问题,45,Fringing flux（边缘磁通）,Current density distribution,三、变压器绕组的分布,磁元件设计共性问题,46,三、变压器绕组的分布,磁元件设计共性问题,47,三、变压器绕组的分布,磁元件设计共性问题,48,三、变压器绕组的分布,磁元件设计共性问题,49,三、变压器绕组的分布,磁元件设计共性问题,50,三、变压器绕组的分布,磁元件设计共性问题,a,51,电抗器设计,开关电源中的电抗器用作滤波，因此需要考虑直流磁化问题,磁元件设计共性问题,52,电感器设计,两段组成，便于通过调整气隙来调节总的磁导率,磁元件设计共性问题,53,电感器设计,Conve

12、ntional VRM,磁环,磁元件设计共性问题,54,电感器设计,一、电感器的物理关系,1. 复习几个基本概念,磁场强度 H 磁导率 真空磁导率 0 （非导磁材料均适用）相对磁导率 r 绝对磁导率 a = r 0 磁通密度 B = a H磁路 lm 磁路截面积 Ae 线圈匝数 N磁通量 = B Ae 磁链 = N =LI磁动势 Fm = H lm= N I,磁元件设计共性问题,55,电感器设计,一、电感器的物理关系,磁元件设计共性问题,56,电感器设计,一、电感器的物理关系,磁元件设计共性问题,57,电感器设计,二、面积相乘法设计电感,面密度,磁元件设计共性问题,58,电感器设计,二、面积相

13、乘法设计电感,有效值,磁元件设计共性问题,59,电感器设计,二、面积相乘法设计电感,已知电源指标，从输出电压和纹波（如5V，2）可以计算出滤波电感的最小值，实际取最小值的1.1到1.3倍。,磁元件设计共性问题,60,电感器设计,二、面积相乘法设计电感,可以用直流量代替,磁元件设计共性问题,61,电感器设计,二、面积相乘法设计电感,磁元件设计共性问题,62,电感器设计,二、面积相乘法设计电感,磁元件设计共性问题,63,电感器设计,二、面积相乘法设计电感,变压器加的是电压电感器流的是电流,磁元件设计共性问题,64,电感器设计,二、面积相乘法设计电感,磁元件设计共性问题,65,电感器设计,二、面积相

14、乘法设计电感,气隙长度,铁芯长度,磁元件设计共性问题,66,电感器设计,二、面积相乘法设计电感,选定气隙长度是为了保证一定电流下B不饱和,磁元件设计共性问题,67,Special page for AC inductor design. It is extraneous from context.,电感器设计,磁元件设计共性问题,68,电感器设计,二、面积相乘法设计电感,磁元件设计共性问题,69,电感器设计,二、面积相乘法设计电感,磁元件设计共性问题,70,电感器设计,二、面积相乘法设计电感,磁元件设计共性问题,71,电感器设计,三、几何参数法设计电感(直流偏磁),磁元件设计共性问题,72,电

15、感器设计,2. 几何参数法公式推导,三、几何参数法设计电感(直流偏磁),磁元件设计共性问题,73,电感器设计,2. 几何参数法公式推导(续),三、几何参数法设计电感(直流偏磁),磁元件设计共性问题,74,电感器设计,2. 几何参数法公式推导(续),三、几何参数法设计电感(直流偏磁),磁元件设计共性问题,75,电感器设计,三、几何参数法设计电感,磁元件设计共性问题,76,电感器设计,6. 线圈截面积的确定,三、几何参数法设计电感,磁元件设计共性问题,77,电感器设计,四、不同电压的感生电势公式推导,1. 方波电压波形,磁元件设计共性问题,78,电感器设计,四、不同电压的感生电势公式推导,2. 正

16、弦电压波形,磁元件设计共性问题,79,电感器设计,五、电感器件的降额准则,电感器件包括各类变压器、扼流图和线圈. 各类电感器当热点温度(THs=Ta+T)从25上升到50时，其基本失效率增加不多，般不大于两倍。但增高到75 以上时，其基本失效率要增加到9倍以上。 所以降额应使热点温度不高于75，最好在50以下。电感器因绝缘材料不同，其额定工作温度也不同，最高工作温度不应超过表11156中给出的额定工作温度。各类电感器件的工作电流降额因子(电应力比)一般取0.6一07。在湿热环境中使用电感器件时，应注意电应力比不能太小。否则，电感器件发热过少，不利于驱散器件内的潮气，对防止潮气侵入不利。一个线圈所承受的最大电压应力应小于正常绝缘能力的50。所以在绕制电感器时应注意绝缘厚度和各层及层内绕组间隙的等要求的合理性.,