電感變壓器選型與應(yīng)用ppt課件.ppt

電感器變壓器選型與應(yīng)用 咸陽金山益昕電子科技有限公司 1 電路中的磁性器件 如何選型 如何提參數(shù) 磁性元器件 電感器和變壓器與其他電氣元件不同 使用者很難采購到符合自己要求的電感和變壓器 因為沒有一個在規(guī)定范圍內(nèi)通用的規(guī)范化的參數(shù) 而表征磁性元件的大多數(shù)參數(shù) 電感量 電壓 電流 處理能量 頻率 匝比 漏感 損耗 對制造商是無所適從的 2 磁性器件設(shè)計思路 磁性元件的分析和設(shè)計比電路設(shè)計復(fù)雜得多 要得到唯一的答案是困難的 因為要涉及到許多因素 因此設(shè)計結(jié)果絕不是唯一合理的 考慮的不僅是最小體積 最低成本 或最高效率 還要包含結(jié)構(gòu) 工藝 散熱以及干擾等設(shè)計 高頻開關(guān)電源的很多麻煩是由于磁性元件工藝 結(jié)構(gòu)不合理引起的 3 電感器 電感器是依據(jù)電磁感應(yīng)原理 由導(dǎo)線繞制而成 在電路中具有通直流 阻交流的作用 在電路圖中用符號L表示 主要參數(shù)是電感量 單位是亨利 用H表示 依據(jù)電磁感應(yīng)原理 電感器派生出很多種器件 Z R jXR L0 X L0 4 電感器種類 1小型固定電感器小型固定電感器通常是用漆包線在磁心上直接繞制而成 主要用在濾波 振蕩 陷波 延遲等電路中 它有密封式和非密封式兩種封裝形式 兩種形式又都有立式和臥式兩種外形結(jié)構(gòu) 1 臥式密封固定電感器臥式密封固定電感器采用軸向型引腳 有LG1 LGA LPH等系列 LG1系列電感器的電感量范圍為0 1 100000 H 額定電流分為50mA 150mA 300mA 700mA和1 6A五種規(guī)格 LGA系列電感器采用超小型結(jié)構(gòu) 外形與1 2W色環(huán)電阻器相似 其電感量范圍為0 22 1000 H 額定電流為0 04 1 4A LPH系列電感器也為小型封裝結(jié)構(gòu) 其電感量范圍為3 9 18000 H 誤差范圍為 5 20 2 立式密封固定電感器立式密封固定電感器采用同向型引腳 有LG2P LG2S LPV等系列 電感量范圍為0 1 100000 H 額定工作電流為0 05 2 0A 誤差范圍為 5 20 2可調(diào)電感器其外部為金屬屏蔽罩 內(nèi)部由尼龍襯架 工字形磁心 磁帽及引腳座等構(gòu)成 在工字磁心上有用高強度漆包線繞制的繞組 磁帽裝在屏蔽罩內(nèi)的尼龍架上 可以上下旋轉(zhuǎn)動 通過改變它與線圈的距離來改變線圈的電感量 3阻流電感器阻流電感器是指在電路中用以阻塞交流電流通路的電感線圈 它分為高頻阻流線圈和低頻阻流線圈 1 高頻阻流線圈 高頻阻流線圈也稱高頻扼流線圈 它用來阻止高頻交流電流通過 高頻阻流線圈工作在高頻電路中 多用采空心或鐵氧體高頻磁心 骨架用陶瓷材料或塑料制成 線圈采用蜂房式分段繞制或多層平繞分段繞制 2 低頻阻流線圈 低頻阻流線圈也稱低頻扼流圈 它應(yīng)用于電流電路 音頻電路或場輸出等電路 其作用是阻止低頻交流電流通過 5 電感器分類 4按應(yīng)用原理分類儲能類 包括起儲能作用的儲能電感器 諧振電感器 開關(guān)電源電感器 BUCK電感 BOOST電感等 EMI濾波類 包括差模電感器 共模電感器 無源PFC電感器 LC濾波電感器 起交流和直流濾波作用的濾波電感器 起抑制電磁干擾作用的電磁干擾濾波電感器 尖峰抑制電感器 起抑制噪聲作用的噪聲濾波電感器 起吸收浪涌電流作用的吸收電感器 起減緩電流變化速率的緩沖電感器 其他類 起開關(guān)作用的磁性開關(guān)電感器 起幫助半導(dǎo)體開關(guān)換向作用的換向電感器 起調(diào)節(jié)電感作用的可控電感器和飽和電感器 5按封裝結(jié)構(gòu)分類金屬殼密封類 金屬密封殼裝有單獨制造的出頭和引出端 此類別不包括用絕緣引線穿過金屬殼的電感器 灌封類 包括模注灌封或包封結(jié)構(gòu) 以及包括具有金屬殼 一端或者兩端敞開并用灌封材料填充的電感器 或者用用絕緣引線穿過金屬殼的電感器 開放類 開放類就是除金屬殼類 灌封類以外的電感器 包括端封式結(jié)構(gòu)的電感器 6 電感器的損耗與漏磁 7 1 電感量反應(yīng)電感儲存磁場能的本領(lǐng) 它的大小與電感線圈的匝數(shù) 幾何尺寸 有無磁心 鐵心 磁心的導(dǎo)磁率有關(guān) 在同等條件下 匝數(shù)多電感量大 線圈直徑大電感量大 有磁心比沒磁心電感量大 用于高頻電路的電感量相對較小 用于低頻電路的電感量相對較大 電感量的單位為亨 H 電感器的主要參數(shù) L I NAeB I N2AeB Hle 0 eN2Ae le 8 2 標(biāo)稱電流值電感器長期工作不損壞所允許通過的最大電流 它是高頻 低頻扼流線圈和大功率諧振線圈的重要參數(shù) 常以字母A B C D E來分別表示標(biāo)稱電流值50mA 150mA 300mA 700mA 1600mA 應(yīng)用時實際通過電感器的電流不宜超過標(biāo)稱電流值 9 3 品質(zhì)因數(shù) Q值 電感線圈中儲存能量與消耗能量的比值稱為品質(zhì)因數(shù) 又稱Q值 或是線圈所呈現(xiàn)的感抗與線圈直流電阻的比值 Q wL R 電感器的Q值一般為50 300 Q值與線圈的結(jié)構(gòu) 導(dǎo)線粗細(xì) 多股或單股 繞法 磁心 有關(guān) Q值越高 電路的損耗越小 在調(diào)諧回路中 要求Q較高 以減小與線圈回路的損耗 在濾波回路中 Q值不宜過高 以免使其與濾波電容構(gòu)成諧振回路 對電路產(chǎn)生影響 對于高頻扼流圈和低頻扼流圈不做要求 10 4精度等級允許偏差是指電感器上標(biāo)稱的電感量與實際電感的允許誤差值 一般用于振蕩或濾波等電路中的電感器要求精度較高 允許偏差為 0 5 而用于耦合 高頻阻流等線圈的精度要求不高 允許偏差為 10 20 11 5 分布電容 指線圈匝與匝之間形成的分布電容 它降低了線圈的品質(zhì)因數(shù)Q 也使線圈的工作頻率受到限制 高頻線圈采用減小線圈骨架直徑 采用細(xì)導(dǎo)線繞制 蜂房式或分段式繞法就是為了減少分布電容 6 自諧頻率 電感在其SRF時 電感的分布電容與電感值產(chǎn)生共振 此時電感值與電容值相等而互相抵銷 電感的Q值在共振頻率時 Q 0 XL 0 故此時電感出現(xiàn)具高阻抗值 電感超過此頻率則失效成電容性產(chǎn)品 故一般訊號用電感會訂SRFmin我們知道諧振頻率f 1 2 LC 該式里有2個參數(shù)決定f 就是L和C 由式可知 LC越小 頻率越高 在電容一定的情況下 可以考慮減小電感 提高自諧振頻率 如果電感一定 就要考慮怎么減小分布電容 而電容的公式是C S 4 kd 這里有三個變量 S和d 介電常數(shù) 也就是電感里面的填充材料 看是否有可選材料減小介電常數(shù) 另一個是S 就是減小接觸面積 也就是電感里面的每一圈繞線的接觸面積減小 第三個是d 可以考慮每一圈線疏繞 或者用高u的磁芯 減少繞線圈數(shù)等 12 氣隙對磁特性的影響 13 磁棒的有效磁導(dǎo)率 14 磁性材料的磁能儲能特性 最大值 E儲能 1 2LI2 1 2 H2 3C94 15 應(yīng)力對磁性能的影響 16 變壓器 變壓器也是一種電感器 它是將兩組及以上的線圈繞在同一個線圈骨架上 或繞在同一鐵心上制成的 是利用兩個電感線圈的互感應(yīng)現(xiàn)象來傳遞交流電信號和電能的 17 變壓器的種類 特性 1變壓器按工作頻率可分為高頻變壓器 中頻變壓器和低頻變壓器 2變壓器按其用途可分為電源變壓器 音頻變壓器 中頻變壓器 高頻變壓器 脈沖變壓器 恒壓變壓器 耦合變壓器 自耦變壓器 隔離變壓器等多種 3變壓器按鐵心 磁心 形狀可分為 E 型變壓器 C 型變壓器和環(huán)型變壓器 18 變壓器的損耗與漏磁 19 磁性材料的磁能傳遞特性 P傳輸磁能 fB NAeI 20 漏感對性能的影響 漏感公式 Ls 0N2dg hN為初級匝數(shù) h繞線寬度 d為兩線圈間隙高度 g兩線圈間的平均周長C 2 r 1 減少初級匝數(shù)可以降低漏感 N減小Ls減小 2 增加繞線寬度 h增大Ls減小 3 減小絕緣厚度 d減小Ls減小 4 減小繞組層數(shù) g減小Ls減小 5 不滿層的繞組選擇疏繞滿層 h增大Ls減小 6 繞組繞緊且分布均勻 減小g來減小Ls 7 減小氣息 降低漏感 8 增加耦合減小漏感 用三明治繞法 21 1 額定功率指在規(guī)定頻率和電壓下 變壓器長期工作而不超過規(guī)定的溫升的最大輸出功率 額定功率中會有部分無功功率 故單位為VA 一般在數(shù)百伏安以下 2 變壓比n是指變壓器一 二次繞組電壓比 如果忽略了鐵心 線圈的損耗此值近似等于一 二次繞組的匝數(shù)比 這個參數(shù)表明了該變壓器是升壓變壓器還是降壓變壓器 n U1 U2 N1 N23 電流與電壓的關(guān)系若不考慮變壓器的損耗 則U1 I1 U2 I2或U1 U2 I2 I14 阻抗變換關(guān)系初級輸入阻抗Z1與次級負(fù)載阻抗Z2的關(guān)系可由歐姆定律導(dǎo)出 U1 Z1 I1U2 Z2 I2代入上式得到Z1 Z2 U1 U2 2 n2Z1 n2Z2所以變壓器有變換阻抗的作用 變壓器的參數(shù) 22 5 效率 在額定負(fù)載時 變壓器輸出功率占輸入功率的百分?jǐn)?shù) Po Pi 100 它與設(shè)計參數(shù) 材料 制造工藝及功率有關(guān) 通常20VA以下效率為70 80 而100VA以上效率可達(dá)95 以上 一般電源 音頻變壓器考慮效率 中頻 高頻變壓器不考慮效率 6 絕緣電阻和耐壓強度是變壓器安全工作的重要參數(shù)絕緣電阻 變壓器線圈之間 線圈與鐵芯之間以及引線之間的電阻 抗電強度 在規(guī)定時間內(nèi) 如 分鐘 變壓器可承受的電壓 小型電源變壓器絕緣電阻不小于500M 抗電強度大于2000V 變壓器的特性 23 特點 1 產(chǎn)品呈平板狀 體積小 厚度小 符合電源的模塊化發(fā)展趨勢 3 工作頻率高 功率密度大 平板變壓器能設(shè)計為高頻變壓器 提供一種既經(jīng)濟(jì)又好的變壓器模塊 它可工作在100kHz 2000kHz之間 因為平板變壓器元件的尺寸很小 它具有極好的溫度耗散特性 所以能和有關(guān)的半導(dǎo)體器件和電感緊密地封裝在一起 實現(xiàn)高功率密度 4 工作效率高 可達(dá)98 99 調(diào)節(jié)漏電感 使它能具有很快的開關(guān)時間 很低的交叉損耗 就能使它達(dá)到很高的效率 這種變壓器副邊繞組和原邊繞組之間的匝間傳導(dǎo)損耗是很小的 5 極好的熱耗散特性 平板變壓器是具有高表面積體積比 很短的熱通道的小元件 有利于散熱 原邊和副邊繞組之間的匝間損耗很小 這種磁心特有的幾何外形 能有效地減小磁心損耗 所以它能做到高磁通密度 它可在 55 130 之間工作 6 電磁輻射干擾小 繞組和繞組之間的良好耦合 就能使繞組匝間的漏電感保持在最小值 輸出端到輔助部件的連線很短 而且是緊裝配 所以繞組相互之間連線上的漏電感也是最小的 因此電磁輻射干擾小 7 可靠性高 8 絕緣強度高 平面變壓器 24 種類 第一種是平板鐵氧體磁心 傳統(tǒng)繞線型繞組結(jié)構(gòu) 主要一些高頻 高壓小功率變壓器 與傳統(tǒng)變壓器比優(yōu)勢不大 第二種是平板鐵氧體磁心 銅箔式繞組結(jié)構(gòu) 主要應(yīng)用在需要輸出低壓大電流的高頻 大功率開關(guān)電源模塊中 第三種是平板鐵氧體磁心 PCB印制板繞組 主要是一些高頻 中小功率的變壓器 第四種是采用LTCC 瓷低溫共燒 工藝 在鐵氧體薄片上印刷繞組 形成繞組陣列 多層黏結(jié)疊加 共燒成一體 主要是在高頻小信號線路中信號寬帶傳輸 隔離等作用 平面變壓器種類 25 磁心選擇 26 銅線選擇 趨膚效應(yīng) 當(dāng)導(dǎo)體中有交流電或者交變電磁場時 導(dǎo)體內(nèi)部的電流分布不均勻 且電流集中在導(dǎo)體的 皮膚 部分的一種現(xiàn)象 導(dǎo)線內(nèi)部實際上電流變小 電流集中在導(dǎo)線外表的薄層 結(jié)果導(dǎo)線的電阻增加 使它的損耗功率也增加 集膚深度 分別對應(yīng)室溫20 和溫度100 有 6 6 f和 7 65 f兩個公式 結(jié)果為cm 根據(jù)集膚深度選擇銅導(dǎo)線的直徑或厚度 銅導(dǎo)體的集膚深度 20 在高頻電路中存在集膚效應(yīng)的影響 頻率越高集膚效應(yīng)越嚴(yán)重 如1MHz集膚效應(yīng)在60 m厚層面 500MHz集膚效應(yīng)在3 0 m厚層面 1GHz集膚效應(yīng)在2 1 m厚層面 10GHz集膚效應(yīng)在0 7 m厚層面 信號沿著導(dǎo)線表面 包括四側(cè)面 流動 希望導(dǎo)線表面平滑 因粗糙表面會延遲信號傳輸時間 現(xiàn)在印制板用銅箔粗化面是2 m 3 m 凹凸輪廓還顯大 要求更低輪廓銅箔以滿足高頻電流的傳輸 27 平面變壓器特點 五種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變壓器 28 1 反激變壓器特點 電路簡單 效率高 輸出電壓波紋較大 處理功率在150w以下 最大占空比0 45 應(yīng)用于電壓和負(fù)載調(diào)整率不高的場合 6 10 小功率多組輸出特別有效 和其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同 磁心必須加氣隙防飽和 2 正激變壓器特點 電路比較簡單 銅耗比較低 輸出電壓電路紋波較小 變壓器磁心單邊磁化 開關(guān)管峰值電流較低 變壓器不必加氣隙 但為了減小Br 有時加很小氣隙 最大占空比0 45 處理功率300w以下 3 推挽變壓器特點 磁心利用率高 存在磁心偏磁 器件承受電壓高 是兩倍的電源電壓 最大占空比0 9 處理功率500w 4 半橋變壓器特點 變壓器原邊一個線圈 但雙邊磁化 變壓器利用率高 變壓器原邊工作電壓為輸入電源電壓的一半 分壓電容C1和C2能自動消除變壓器的直流偏磁 原邊存在電壓短路的可能性 最大占空比0 9 處理功率達(dá)到1000w 5 全橋變壓器特點 變壓器原邊一個線圈 但雙邊磁化 變壓器利用率高 變壓器原邊工作電壓為輸入電源電壓的 存在直流偏磁 原邊存在電壓短路的可能性 最大占空比0 9 處理功率大于1000w 29 鐵磁材料內(nèi)部往往有相鄰的幾百個分子電流圈流向一致 在退磁場和各向異性場作用下 在這些極小的區(qū)域內(nèi)就形成了一個個天然的磁性區(qū)域 磁疇 磁性來源 鐵磁材料內(nèi)部的磁疇排列雜亂無章 磁性相互抵消 因此對外不顯示磁性 鐵磁材料之所以具有高導(dǎo)磁性 是因為在它們的內(nèi)部具有一種特殊的物質(zhì)結(jié)構(gòu) 磁疇 磁疇因受外磁場作用而順著外磁場的方向發(fā)生歸順性重新排列 在內(nèi)部形成一個很強的附加磁場 a 無外磁場情況 b 有外磁場情況 亞鐵磁性 30 磁滯回線中H為零時B并不為零的現(xiàn)象說明鐵磁材料具有剩磁性 B c b a 起始磁化曲線 oa段是線性段 ab段是上升段 bc段是磁化曲線的膝部 C點以后是飽和段 起始磁化曲線的ab段反映了鐵磁材料的高導(dǎo)磁性 c點以后說明鐵磁材料具有磁飽和性 磁滯回線中B的變化總是落后于H的變化說明鐵磁材料具有磁滯性 軟磁材料反復(fù)磁化一周所構(gòu)成的曲線稱為磁滯回線 磁化曲線 31 B H B H B H A 無外磁場時 B 起始階段 可逆位移或旋轉(zhuǎn) C 陡峻階段 不可逆位移 D 飽和階段 可逆旋轉(zhuǎn) 磁化機理 32 磁化曲線測量 H NI LeLe有效磁路長度B H 導(dǎo)磁率 BAe 直流偏磁 反激變換器 脈沖變壓器 33 磁性參數(shù)與測量 1起始磁導(dǎo)率 i i是材料在弱場磁化過程中的一個宏觀特性表示量 是磁性材料的磁導(dǎo)率 B H 在磁化曲線始端的極限值 i i L 4 6N2hlg D d 107 適用于環(huán)形磁芯 作功率變換的開關(guān)電源變壓器磁芯是工作在高磁通密度下 因此必須引入振幅磁導(dǎo)率參數(shù)才能真實反映出功率型磁芯在高磁通密度下的磁特性 1 0 B H 式中規(guī)定的B值比測時高出數(shù)百倍以上 例如 200mT 2振幅導(dǎo)磁率 34 磁性參數(shù) 3截止頻率fr 由于軟磁材料疇壁共振和自然共振的影響 隨著頻率提高 使軟磁材料的 值下降為起始值的一半且 值達(dá)到峰值時的頻率 稱為截止頻率 f 鎳鋅鐵氧體磁導(dǎo)率的頻譜特性 35 復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的應(yīng)用 寬帶變壓器 傳輸線變壓器 36 居里溫度是磁性材料從鐵磁性到順磁性的轉(zhuǎn)變溫度 在這個溫度磁性材料的磁性將變得很小或消失 它的表示方式有很多 我們一般按下圖進(jìn)行測量 即隨著溫度升高 磁導(dǎo)率下降到最大值的80 及20 時 兩點的聯(lián)線 延長到與溫度軸的交點即為居里溫度 4居里溫度Tc 磁性參數(shù) 37 磁性參數(shù)與測量 5損耗因子tan tan Rs Ls表示小信號下材料的損耗特性 由于磁芯損耗引起信號相移 Rs 磁芯及線圈損耗的等效電阻 Ls 裝有磁芯的線圈的自感量 6品質(zhì)因素Q Q 1 tan 磁性器件作濾波器的電感時 通常用品質(zhì)因素Q來表示它的質(zhì)量 Q與頻率和繞組參數(shù)有關(guān) 38 7功率損耗Pc 大信號下 Pc Ph Pe Pr Ph Pe Pr表示磁滯 渦流 剩余損耗 39 通過一個閉合回路的磁通量發(fā)生變化時 回路中就有感應(yīng)電流產(chǎn)生 該現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)現(xiàn)象 產(chǎn)生的電流稱為感應(yīng)電流 相應(yīng)的電動勢為感應(yīng)電動勢 電磁感應(yīng)現(xiàn)象 40 自感與互感 自感 當(dāng)線圈中電流變化時 它所激發(fā)的磁場通過線圈自身的磁通量也在變化 使線圈自身產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 叫自感現(xiàn)象 該電動勢叫自感電動勢 互感 當(dāng)線圈1中的電流變化時 所激發(fā)的磁場會在它鄰近的另一個線圈2中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 這種現(xiàn)象稱為互感現(xiàn)象 該電動勢叫互感電動勢 互感電動勢與線圈電流變化快慢有關(guān) 與兩個線圈結(jié)構(gòu)以及它們之間的相對位置和磁介質(zhì)的分布有關(guān) 41