高频功率电感设计摘要.ppt

高频功率电感设计 重点分析线圈损耗 * 一、载流导体磁场单圆导线直流磁场 * 导体内磁场 导体外磁场 两根导体外磁场 I H x 0 气隙磁芯线圈磁场 * x H 0 l lav lg 因为 忽略磁芯磁压降 x a 气隙磁场强度 高频电流流过单导线时集肤效应 高频电流流过导体，电流产生的高频交变磁通在导体内产生高频涡流，使得导体内从中心到外表电流分布不均，表面电流密度大，中心电流密度小－集肤效应。 集肤深度： * J 0.368 1.000 Δ 20度和100度铜导线Δ分别为 集肤效应的结果 减少了导体有效截面积，导线电阻增大，增加了交流损耗。以圆导线为例，交流电阻增加的倍数： * 低频时，FR近似等于1,导线损耗为 I－电流有效值；高频时导线损耗： Idc－电流平均值，即直流分量； －交流分量电流有效值；Rac=RdcFR 变压器的漏感概念 * a b c l H x H1 磁场存储能量 磁场也可以表示为 或 x 减少漏感的措施 较少的匝数N，宽窗口l，较小窗口高度。 分段线圈，‘三明治’安排。但有限制。 * (a) (b) (c) (d) 普通磁芯 (e) (f) (g) 平面磁芯 相邻高频线圈中的涡流－临近效应 * 相反方向电流 相同方向电流 IA IA IB IB φB φA φB φA 电流趋向内表面 电流趋向外表面 多层线圈的临近效应 * H x H1 + + + + + + + + + + + + + + + + 电流趋向内表面 第一层在内表面流通，第二层导线中间没有电流，也没有磁场，因此在第二层外表面必须与第一层内表面相同电流的涡流，因此第二层内表面两倍外表面电流。如果有第三层，…… * 根据集肤深度第一层交流电阻为Rac1=FR1 Rdc 交流损耗 第二层交流电阻：FR2=5 第二层交流损耗 多层中损耗与电流平方成正比，相当于电阻增加。 第n层为 n层线圈总交流电阻增加的倍数 * h=0.86d 直径d的圆导线 铜带 带厚D 层数p Dowell曲线 减少交流电阻方法 减少层数：采用分段交错绕。与减少漏感是一致的。 采用多股绞线－利兹线。但是多股绞线的单股直径仅小于2 Δ是远远不够的。 当采用利兹线或铜带时，一般应当做到FR接近1.6就可以了。 Dowell曲线是正弦波电流结果，开关电源中非正弦高频电流引起的损耗更大。工程上只是近似计算，最终由温升决定。 * 线圈设计举例：初级电流中值Ia＝20A，占空度为D＝0.5，工作频率为90kHz，共10匝。磁芯窗口宽度l=24mm.选择导线尺寸。 * Ton T Ia 直流分量 Idc=DIa=10A 总有效值 I＝ 交流分量 选择电流密度j=4A/mm2，需要的导线截面积 根据导线截面积，导线有多种选择：单股圆导线，2Δ多股线，利兹线和铜带，希望最小的铜损耗。 采用单股圆导线，裸线直径d=1.8mm,带漆直径d=1.92mm,90kHz集肤深度Δ＝0.254mm。 Q＝5.7、单层，由Dowell曲线查得FR＝5.7,即交流电阻比直流电阻大5.7倍。前面计算直流分量与交流分量相等，交流电阻比直流大5.7倍，交流损耗太大，不能接受，试试采用d2 Δ=0.508mm。我们采用d=0.47mm * 直径d=0.47mm的圆导线，截面积A= 0.159mm2 ，2.5mm2需要约16股，绞线。 * 16股绞线相当于4×4，4层和计算出Q＝1.38，从Dowell曲线查得FR＝8。 比单股交流电阻还大。层数增加交流电阻增加，比面积增加使得电阻减少影响更大。 选择利兹线：0.18×100，相当于10×10， 10层，Q＝0.57,查得FR＝1.9。这比16股好多了，但还比较大，有两个办法：选择单股更细的导线，或股数更多的更细导线。 选择铜带：采用宽度b=20mm ，厚0.125mm ，10匝 即10层。 Q＝0.125/0.254=0.5查得FR＝1.7,如果取厚度0.1mm，直流电阻增加20%，Q由0.5减少到0.4, FR由1.7减少到1.3，交流电阻减少24%。本例中交流分量有效值与直流相等，总损耗下降，体积也减少。如果将初级分成两段，将次级夹在中间，相当于5层， FR＝1.2如果前面的利兹线，50×0.18,将次级夹在中间，相当于7层， Q＝0.57，FR＝1.6 * 线圈损耗 线圈的交流损耗与直流损耗 直流电阻 * 交流电阻 直流损耗 交流损耗 线