开关电源磁元件线圈设计技术

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1、开关电源磁元件线圈设计技术陈为博士chw@fzu.edu.cn福州大学电气工程与自动化学院教授,博士生导师中国电源学会常务理事,变压器与电感器专委会主任委员主要内容•磁性元件和线圈设计的重要意义•绕组涡流效应与损耗机理分析•变压器绕组窗口磁场分布与涡流损耗•电感器绕组窗口磁场分布与涡流损耗•传统绕组线规设计的局限性•Litz多股绞线的涡流损耗特点•副边抽头(三绕组)变压器绕组设计1AC/DC开关电源性能发展趋势[W/in3]4094-97%Server/telecomfrontend35(singleoutputforDPA)30Notebookadapters2587-92%92-97

2、%20功率密度1588-91%1080-85%80-86%584-87%72-80%DesktopPS(multipleoutput)165-70%200020062010年度DC/DC开关电源性能发展趋势[A]1501251/2砖2.4”×2.3”×0.5”100输出电流501/4砖251/8砖1/16砖1.3”×0.9”×0.35”0200020052010年度2磁元件的重要性和面临的挑战LTXCMCDMCPFCD2ASRL••体积比重体积比重:20-30%:20-30%••重量比重重量比重:30-40%:30-40%••损耗比重损耗比重:20-30%:20-30%••电气参数，外观

3、尺寸，电路拓扑电气参数，外观尺寸，电路拓扑磁性元件的设计考虑结构形式电气主要杂散参数损耗优化温升热管电磁兼容设计参数设计设计设计理设计设计μ⋅N2AP0.833L=eΔT=()lSe18642044442.104.106.108.103功率磁性元件的线圈导体类型电磁线铜箔扁平绕组里兹线PCB绕组TIW三层绝缘线TIW三层绝缘Litz线螺旋形绕组绕组损耗的机理L•直流(低频)损耗R=ρdcSLS•交流(高频)损耗∑Skineffectloss∑Proximityeffectloss∑Airgapfringingloss绕组交流损耗来源∑Extraneousconductorloss∑Ter

4、minationloss∑Circumfluentcurrentloss∑Endeffectloss4高频涡流的集肤与邻近效应H21(t)H21(t)H11(t)H11(t)JeddyJeddyJeddyJeddyJsourceJsourceI1I2I1I2Jeddy:集肤效应涡流Jeddy:邻近效应涡流JJJH1+H2H1+H2i1i1i2i1i2H1H1H1-H2H2-H1H2+H1H1-H2高频电磁场Maxwell基本方程微分形式积分形式物理定律∂∇×H=J+D∇×H=J∫H⋅dl=I安培环路定律∂t∂∂dB∇×E=−B∇×E=−∂tB∫E⋅dl=−∫∫⋅dS法拉第定律∂tdt∇⋅

5、B=0∇⋅B=0∫∫B⋅dS=0磁通连续定理∇⋅D=ρD=εEB=μHB=μHJ=γEJ=γE12绕组损耗P=∫∫∫

6、J

7、dV2σV5求解涡流场的场控制方程∇×H=J∇×∇×H=∇×J∇×∇×H+jωσμH=0∂∇×E=−B∇×J=−jωσμH∂tB=μHJ=γE22∇×∇×H=∇(∇⋅H)−∇H∇×∇×H=−∇H∇⋅B=0vv2∇H−jωσμH=0铜箔导体中的集肤效应损耗计算Skineffectcurrentisinducedbythefluxproducedbysourcecurrentitself2∇H(x)−jωσμH(x)=0H(t)LWithH=H=I2L(x=0)1H1H2

8、xH(x=D)=H2=−I2L0i(t)I=50AH(x)ÆJ(x)ÆLossD=1mmJ(x,ωt)ωt0π/6

9、J

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14、π/3π/200x4444f=100KHzf=500KHzf=1000KHz6铜箔导体中的邻近效应损耗计算ProximityeffectcurrentisinducedbythefluxproducedbyexternalfieldH=50A/m2∇H(x)−jωσμH(x)=0H(t)LWithH=H=50(x=0)1H=H=50H1H2x(x=D)20i(t)I=0AH(x)ÆJ(x)ÆLossD=1mm58.1051056.4.1054.8.10

15、J

16、

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19、1)5

20、J

21、3.2.1051.6.10x00044444444444402.104.106.108.100.00102.104.106.108.100.00102.104.106.108.100.0010xWw1xWw1xWw1f=100KHzf=500KHzf=1000KHz导体厚度对涡流损耗的影响0.66500KHzJ(x)邻近效应损耗0.48Proximityeffectlossvs.thicknessH(t)300KH