功率磁性器件优化设计.pdf
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直流工频电感设计案例1设计案例2?
变压器?
变压器设计案例?
交流电感?
交流电感设计案例序言序言世界统一于能量21世纪是能源世纪能源技术包括能源的开发转换传输应用后三者日趋电力电子能源技术包括能源的开发、转换、传输、应用,后三者日趋电力电子化能源技术IT技术,电力电子技术微电子技术,电力半导体器件CPU优化设计通过从方案到器件的综合优化使产品的综合性能与综合优化设计通过从方案到器件的综合优化使产品的综合性能与综合成本比值最大化功率磁件功率磁件直流工频电感:
储能效率变压器效率/温升体积重量成本变压器:
效率/温升,体积重量,成本交流电感:
效率/温升,体积重量,成本交流感效率体本功率磁件功率磁件储能电路磁场!
能量储存在气隙中?
均匀气隙,磁路中1个或多个平行气隙气隙?
非均匀气隙,磁路中一个或多个不平行或分布气隙准线性电感非线性电感功率磁件直流电感功率磁件直流电感优选磁材准线性电感高磁密铁氧体非晶类准线性电感:
高磁密铁氧体,非晶类非线性电感:
铁粉芯类,铁硅、铁硅铝等合金类?
在储能、效率、温升相对合理下,二者体积相差不大,但铁氧体成本最低,效率最高,温度敏感?
UPS等输出电感有成倍过流要求的宜用非线性类;PFC、光伏逆变等无过流要求的宜用线性类PFC、光伏逆变等无过流要求的宜用线性类直流电感:
设计案例一直流电感:
设计案例一3KW,220/48V,电源PFC电感磁材优选:
某型高磁密铁氧体直流电感:
设计案例一直流电感:
设计案例一3KW,220/48V,电源PFC电感磁材优选:
某型高磁密铁氧体磁芯尺寸,自开模u-u型,插入铁芯图片插入铁芯图片u-u型磁芯尺寸尺寸电路优化直流电感:
设计案例一直流电感:
设计案例一3KW,220/48V,电源PFC电感电路优化:
可用磁密:
0.4T100,28A电路优化直流电感:
设计案例一直流电感:
设计案例一3KW,220/48V,电源PFC电感电路优化:
磁材优选:
某型高磁密铁氧体电感储能:
气隙储能密度常数气隙储能密度常数气隙体积:
TcmmJ1/4003气隙储能密度常数气隙储能密度常数:
TcmmJ4.0/643气隙长度:
即2个1.3mm的气隙电感系数:
匝数:
取30T匝数:
取30T直流电感:
设计案例一直流电感:
设计案例一3KW,220/48V,电源PFC电感电感储能:
气隙体积:
气隙长度气隙长度:
电感系数:
2个1.3mm的气隙由于气隙边缘效应,实际电感比计算大,宜略加大气隙电感系数:
匝数:
30T宜略加大气隙绕线:
0.16,120根,30匝,直流电阻70直流电感:
设计案例一直流电感:
设计案例一3KW,220/48V,电源PFC电感工频铜损工频铜损4.2w,高频铁损约高频铁损约0.5w直流电感:
设计案例一直流电感:
设计案例一3KW,220/48V,电源PFC电感工频铜损工频铜损4.2w,插入实物照片瞬态温升法实测功耗约瞬态温升法实测功耗约65高频铁损约高频铁损约0.5w瞬态温升法实测功耗约瞬态温升法实测功耗约6.5w,即气隙涡流和高频铜损约,即气隙涡流和高频铜损约6.5-4.2-0.5=1.8w磁材优选某型铁硅磁环初始磁导率直流电感:
设计案例二直流电感:
设计案例二3KW,EPS模块输出电感磁材优选:
某型铁硅磁环,初始磁导率60直流电感:
设计案例二直流电感:
设计案例二3KW,EPS模块输出电感磁材优选某型铁硅磁环初始磁导率磁材优选:
某型铁硅磁环,初始磁导率6050.831.813.5ODIDHtVolume:
15.9电感系数:
有效磁路长度127cm有效磁路长度:
12.7cm截面积:
125cm2电路优化50KHz恒频SPWMv直流电感:
设计案例二直流电感:
设计案例二3KW,EPS模块输出电感电路优化:
50KHz,恒频SPWM,v功耗设定:
固定功耗,线性功耗,平方率功耗Volume:
15.9初始功耗:
(根据经验)铜10w,铁5w9w5/0.559/15.9恒频SPWM周期平均铁损是最大值(即方波)的约0.55倍即50k方波铁损为9w即50k,方波铁损为9w。
查铁损耗曲线:
电路优化:
50KHz,恒频SPWM,v直流电感:
设计案例二直流电感:
设计案例二3KW,EPS模块输出电感查铁损耗曲线:
电路优化:
50KHz,恒频SPWM,v50K下铁损为查表得:
直流电感:
设计案例二直流电感:
设计案例二3KW,EPS模块输出电感铜损、绕线:
?
估计每匝线长6cm,共726=4.3m,用1.6漆包?
估计每匝线长6cm,共7264.3m,用1.6漆包线(2mm2)绕,=mmmmmmmmrdc432/203.422这样得到工频铜损为mm2wAm4.8)14(432=?
将匝数增加到80T,工频铜损约10w,铁损和高频铜损可进一步降低=mAwrdc50)14(102电感计算直流电感:
设计案例二直流电感:
设计案例二3KW,EPS模块输出电感电感计算:
lNIH256.1=20NALLA=I(A)0204060H(oe)0158316474el0LA()L(uH)46723012175查磁密曲线可得:
电流20A时(即H=158oe时),磁导率下降为约50%,电感量也下降到约50%,其余类推功率变压器:
设计案例功率变压器:
设计案例6KW,半桥LLC变压器额定输入360v输出265v额定输入360v,输出265v电路优化:
初级次级14:
20,额定工作频率略低于谐振点较优。
由于匝比的整数效应,不能微调,只能通过磁芯尺寸和工作频率进一步优化磁芯尺寸,自开模u-u型,功率变压器:
设计案例功率变压器:
设计案例6KW,半桥LLC变压器绕线绕线:
双线包每线包初级7T次级10T分别串联绕线绕线:
双线包,每线包初级7T,次级10T,分别串联N1,N2=7T,N3,N4=10T功率变压器:
设计案例功率变压器:
设计案例6KW,半桥LLC变压器频率优选频率优选:
取决于铜、铁损分配经验积累:
kw级正弦电流变压器效率99.5%0.1%,因此功耗约30w因此功耗约30w;风冷散热,50-70%载时铜铁平衡;铁损5-10w,铜损20-25w功率变压器:
设计案例功率变压器:
设计案例6KW,半桥LLC变压器频率优选频率优选取决于铜铁损分配频率优选频率优选:
取决于铜、铁损分配铁(固定损耗)铁损510w铜损2025w3铁损为5.95w铁损5-10w,铜损20-25w3/17.0cmw335cmVeCoreLoss:
TBM14.0=FluxDensity:
21265111fvtV试凑出频率试凑出频率:
f取100kHz2240202212121mmfANtVBBem=功率变压器:
设计案例功率变压器:
设计案例6KW,半桥LLC变压器绕线设计与铜损计算绕线设计与铜损计算经验:
风冷电流密度可取6-8A/mm2次级电流:
Avkw2511.12656=的铜带可用361.0/初级电流:
AA7.35142025=的铜带可用3614.0/肌肤效应:
mmHzf)(72邻近效应:
Dowell曲线,交/直流阻抗比功率变压器:
设计案例功率变压器:
设计案例6KW,半桥LLC变压器绕线设计与铜损计算如每线包不用三明治结构绕线设计与铜损计算如每线包不用三明治结构则初级有效层数7,厚深比为61.023.014.0=次级有效层数10厚深比为7.1/=dcacRR4301.0次级有效层数10,厚深比为43.023.01.0=3.1/=dcacRR由邻近效应引起的功耗太大,dcac故每线?
采用三明治结构功率变压器:
设计案例功率变压器:
设计案例6KW,半桥LLC变压器绕线设计与铜损计算采用三明治结构,次级的10层分成两半,包裹初级7层绕线设计与铜损计算采用明治结构次级的层分成两半裹初级层则初级有效层数3.5,厚深比为61.023.014.0=RRRR361111/次级有效层数5,厚深比为=mRRRRdcacdcac3.61.1,1.1/43.02301.0=初次级基波功耗约16w23.0=mRRRRdcacdcac0.81.1,1.1/初次级基波功耗约16w;功率变压器:
设计案例功率变压器:
设计案例6KW,半桥LLC变压器绕线设计与铜损计算绕线设计与铜损计算初次级基波功耗约16w;用Dowell曲线计算3次、5次谐波功耗约1.5w估算引脚、搭桥功耗约1w变压器铜损共185变压器铜损共18.5w用瞬态温升法测铜铁损基本吻合高频交流电感:
设计案例高频交流电感:
设计案例6KW,半桥LLC串联谐振电感额定满载工况:
f=100kHZ,电流有效值37A,峰值50.5A,L=4.6uH.此电感铁铜损均近似为平方率功耗,可考虑满载铜铁平衡,参考容许铜铁温升参考容许铜铁温升经验:
PQ3235磁芯232mm255.6,13,162=线窗cmVmmAe铁损6w,铜损8w高频交流电感:
设计案例高频交流电感:
设计案例6KW,半桥LLC串联谐振电感铁损6根据铁损查磁材损耗曲线铁损6w,根据铁损查磁材损耗曲线TBm21.0=根据气隙储能密度,TcmmJ1/4003此电感的储能密度:
TcmmJ21.0/6.1721.040032=电感最大储能:
气隙体积mJLIEL9.5212p=33409.5V注释:
每mm气隙必须有800安匝气隙体积(不计边缘效应):
气隙:
334.06.17cmVg=mml1234.0才能产生1T的磁感应强度ggclllggccBBlHlHNI+=+=)(匝数:
mmlg1.262.1=匝71.221.0800=mmTNggcggccBBlHlHNI+)(匝75.50AN高频交流电感:
设计案例高频交流电感:
设计案例6KW,半桥LLC串联谐振电感绕线设计1.交流电感的的绕线设计比变压器更复杂2.不能用三明治降低邻近效应3.气隙的漏磁涡流效应不能用铜带4李兹线在股数很多,匝数较少时,通过空间对称性抵消邻近效应和气隙4.李兹线在股数很多,匝数较少时,通过空间对称性抵消邻近效应和气隙涡流的能力大大消弱5.用多条李兹线并绕会通过两端形成的涡流邻近效应环流,功耗可能增数倍高频交流电感:
设计案例高频交流电感:
设计案例6KW,半桥LLC串联谐振电感绕线设计-设计思路1.选择单线直径为以下的李兹线,即0.07mm;32.按经验电流密度,截面积,约1200根单线;2/8mmA26.4mm3.考虑工艺和填充率,用3条400根李兹线并绕;4为消除环流,线路设计中将于电感串联的谐振电容取3组并联,各连接4.为消除环流,线路设计中将于电感串联的谐振电容取3组并联,各连接一条电感李兹线;高频交流电感:
设计案例高频交流电感:
设计案例6KW,半桥LLC串联谐振电感铜损计算mRRdcac2.22.1铜损dcacwmA32.2)37(2=用瞬态温升法实测铁损6.5w,铜损7w.实测铜损与理论的巨大差异为李兹线在股数多匝数少时的邻近效应和气隙涡流产生实测铜损与理论的巨大差异为李兹线在股数多匝数少时的邻近效应和气隙涡流产生博大精深博大精深博大精深博大精深博大精深博大精深博大精深博大精深朴实自然朴实自然朴实自然朴实自然朴实自然朴实自然朴实自然朴实自然
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