1.1 功率变换器磁性元件的作用

大家好很高兴今天在 TI 的平台上

与大家一起学习

功率变换器磁元件技术的基础知识

首先我们介绍一下

功率变换器磁元件的作用

功率变换器顾名思义

就是对电功率进行变换的装置

在各个用电领域都得到了广泛的应用

包括 AC 变 DC AC 变 AC

DC 变 DC 和 DC 变 AC

这些类型的功率变换

在通讯设备和计算机上的分布式电源

各类电源适配器

各类照明电机驱动系统

尤其是新兴的新能源 智能电网

和电动汽车的应用目前正在快速的发展

功率变换器的最大优点

就是电能的高效变换

为了更好地理解磁性元件

在功率变换之下的作用

我们先简单了解一下

实现功率变换的几种方法

首先是传统的线性稳压电源

线性稳压电源

为了保证输出电压的稳定

它是通过一个功率调整管

让它工作在线性区

从而控制它的 VCE 电压

来平衡输入电压的变化

所以它的原理很简单

它是通过功耗

也就是通过功率调整管上面的电压降

来调节输出功率的

除此以外

现在新兴的技术

还把这三种变压器 电感器 滤波器

三个元件把它集成在一个磁芯结构上

那就构成了所谓的集成磁件

比如说电感跟电感的集成

变压器根电感的集成

变压器跟变压器的集成

滤波器跟变压器的集成

滤波器跟电感的集成

以及差模共模电感的集成

那么这个呢实际上也是很大的一个内容

以后有机会再跟大家分享

功率变换器的磁性元件的重要性

会体现在什么地方呢

我们从这个几张图上就能看到了

这是一个光伏逆变器

其中的磁元件占了很大的一个比重

这是一个充电机

这里有一个磁元件

这里还有一个磁元件

那么这是一个开关电源

这是一个电源适配器

这是一个模块电源

这是一个负载点电源

这是一个芯片电源

实际上大家都能看到的

绝大部分的空间

都是磁性元件所占满

所以说磁性元件

对功率变换器的尺寸 重量

起了很大的一个作用

尤其是重量

磁原件都是由铜跟铁构成的

铜跟铁的比重

在功率变换器的元件里面它是最重的

同时呢还取决了它的形状和高度

那同时呢变压器

还起了一个安规的作用 隔离的作用

所以它还需要满足安规

和耐压的一个要求

此外功率变换器的元件中

芯片 开关管 电容

一般来说都是去买的

是可以去买的

那么它属于一个选件

但是只有磁性元件

由于每一个电源的规格不一样

工作频率不一样

尺寸不一样

成本不一样

它就要求我们磁元件

必须是一个客制化的设计

所以磁元件呢它是一个设计件

而不是一个选件

此外磁元件的损耗跟温升

也对变换器的性能有很大的影响

虽然开关损耗也占了很大的一个比重

但是呢磁元件的损耗它也是很大的比例

同时呢由于磁元件体积庞大

它的热阻大

它的最高温升跟表面温升的差距比较大

所以呢磁元件的温升

也是比较不好解决的一件事情

另外人工成本也影响很大

随着现在人工成本的增加

所以这一部分的加工的成本

也在很快的上升

再一个是参数的一致性

其它元件 芯片啊 电容啊 这些东西

它的生产都比较严格

都比较精密化

所以呢它的参数都比较一致

但是我们磁元件呢

除了铁芯的参数不一致以外

它的绕线工艺等等

都会影响它参数的不一致

所以呢我们要在设计磁元件时候呢

要给磁元件的参数

留出较大的一个变动空间

此外开关电源的电磁兼容问题

也跟磁元件密切相关

实际上很多噪声的干扰

都是由磁元件来产生的

除了电磁干扰以外

很多的音频噪声

我们的电源的音频噪声

实际上也是由磁元件造成的

还有很多的其它的各项指标

比如说这个控制的稳定性等等

也是跟磁元件有很大的一个关系

这张图上就看到了一个电源适配器

它这里面三大空间

一个磁滤波器基本上占了 1/4 的空间

那么 PFC 电感也占了很大的一个空间

那么这个是一个母线电容

虽然它体积也不小

但是呢它的重量很小

再往这边就是一个反激电路的变压器

所以从这里面看我们都看不到开关管

但是呢磁元件的体积跟重量

就具有非常大的一个影响

所以说我们讲高频磁性元件

它成为我们功率变换器

进一步发展的一个瓶颈

而且磁技术

也已经成为我们当前开关电源

主要关注的一个内容

各个企业都花了很多的精力

把这个磁元件的技术把它搞清楚

除此以外

磁元件对我们变换器的效率

也有很大的影响

为什么我们功率变换器的效率特性曲线

一般都是这样的一个抛物线

也就是一个二次函数

这是取决于它们损耗的来源

损耗的特性

损耗来源包括这么多

首先是控制芯片

控制芯片的损耗

基本上跟功率无关

只要有输出电压控制芯片在工作

那么它就有损耗

所以呢它是跟功率无关的一个损耗

开关器件它也存在损耗

它又分为开通损耗

关断损耗跟导通损耗

所以说它是跟功率的一次方有关

它也跟功率的二次方有关

再往那边就是一个三极管的损耗

那么三极管也包含了

VD 就正向压降的损耗

和导通电阻的损耗

那么正向压降损耗

是跟功率的一次方成正比的

导通损耗就跟电流的平方成正比的

再一个就是 PCB 上面的走线的损耗

那么这个是属于传导性损耗

它跟电流的平方是成正比的

那还有一个是电容的损耗

它基本上是跟电流的纹波成正比的

跟功率影响不大

再往后面就是一个磁元件了

磁元件它包含了磁芯损耗跟绕组损耗

那么对磁芯损耗来说

只要你绕组上面有电压

铁芯上就有磁通

那么有磁通 磁芯就会有损耗

所以呢磁芯损耗它基本上是与功率无关的

那么这时候呢它对轻载的影响

就起了一个主要的作用

另一个是绕组损耗

绕组损耗是属于传导性损耗

它是与功率的平方成正比的

所以呢它在重载的时候

对效率的影响会特别大

所以说一个磁元件它的损耗

实际上就影响了

我们整个功率变换器的效率特性曲线

那么磁元件损耗特性

就对我们变换器的效率和节能规范

具有重要的影响

尤其是一些能耗的指标

它并不追求额定功率的损耗

而是追求一个不同功率下面

效率一个加权的话

那么这条曲线就很重要了

那么要做到这一步

要做到去整个电源的这个

效率曲线是可控的

那么首先我们要对磁性元件的模型

尤其是损耗模型要有比较好的了解

那么这个才是我们设计的一个基础

随着我们用电效率的不断提高

那么也对我们功率变换器的发展呢

提出了很高的要求

那么简单来说就是高效率

高功率密度 高可靠性

那同时作为产品

它还要求有低价格

那么为了有更好的用户体验

它还要有低高度

所以我们就统称为三高两低

那么功率变换既要围绕着这个三高两低

我们可以从这几个方面去着手

第一个当然是开关器件

它是我们电力电子功率变换器的关键

那么器件 随着我们现在半导体器件

尤其是氮化镓碳化硅器件的发展

那么它的开关速度它的耐压它的温升

还有它的导通电阻都在很快的进步

那再一个呢就是一个电路拓扑

那么随着开关器件的

不断向着理想化的发展

我们的开关拓扑结构呢

也会越来越简单

像比如像主流的反激电路 LLC 电路

全桥移相电路

有源钳位电路 推挽电路等等

那么这个电路呢现在也都比较成熟

大家行业里面都知道

什么样的功率等级

大概有什么样的电路拓扑

那么除这个以外呢还有一个控制

为了实现控制

现在呢有很多的芯片可以选择

那么我们的工程师

真正在开发一个产品的时候

实际上在开关器件电路拓扑

跟控制技术方面

并没有必要花很大的精力

但是呢后面两个就很关键了

这个就是一个磁性元件

那么磁性元件的发展趋势

一个是高频化

因为根据我们的电磁感应定律

只有频率提高了我们的体积

铁芯的截面积

绕组的面积的匝数才可以降低

所以高频化是磁元件的

发展的一个很大很明显的一个趋势

但是高频化后

就带来损耗 涡流损耗的急剧的增大

以及分布参数效应的影响不断加强

这是高频化的问题

那再一个趋势呢就是集成化

集成话的意思什么呢

就是把不同功能的磁性元件

把它设计在一个磁芯结构上

那么我们就利用这些

磁芯上面的磁通的纹波的关系

实现纹波的抵消来降低磁芯损耗

同时也可以通过绕组上面

电流纹波的抵消

或者通过磁元件的耦合集成

来把我的纹波降低

那也有机会降低我的绕组损耗

所以即使在不增加频率的情况下

通过磁集成

我们也可以把

功率变换器的体积做的更小

再一个就是最优化

前面我们说过

磁元件的设计

实际上它是一个设计件

而不是一个选件

而且呢它的影响因素很多

磁芯的大小尺寸形状

还有各种各样的规格

以及我们绕组的匝数

线规 股数 绞线的绞距

还有绕组的布局方式等等

都影响我们磁元件的性能

所以呢它存在着很大的一个优化的机会

那么再有一个随着频率的提高

磁元件它必然会存在着

电场或者磁场的泄漏

那么电场磁场泄露在高频下

它的作用就会更强

那么就会造成很多的电磁兼容的问题

再一个主题就是一个制程工艺了

前面说过很多的元器件

它们都是工业化制成 精密化制成了

但是呢只有我们的磁元件

目前还很多是属于手工的

或者说简单的自动化制成

那么简单的自动化制成呢

就造成一个可靠性的降低

或者参数的不一致

那么这就使得我们的磁元件

在自动化方面

现在实际上也发展得非常快

但是呢这个对于批量大的

可能就自动化的程度会高一点

但是如果批量小的话呢

可能自动化从成本上考虑

也不是很值得

但是呢磁元件的自动化生产

肯定是发展的一个趋势

好那么我们第一章呢

第一节呢就讲到这里

谢谢大家

大家好很高兴今天在 TI 的平台上

与大家一起学习

功率变换器磁元件技术的基础知识

首先我们介绍一下

功率变换器磁元件的作用

功率变换器顾名思义

就是对电功率进行变换的装置

在各个用电领域都得到了广泛的应用

包括 AC 变 DC AC 变 AC

DC 变 DC 和 DC 变 AC

这些类型的功率变换

在通讯设备和计算机上的分布式电源

各类电源适配器

各类照明电机驱动系统

尤其是新兴的新能源 智能电网

和电动汽车的应用目前正在快速的发展

功率变换器的最大优点

就是电能的高效变换

为了更好地理解磁性元件

在功率变换之下的作用

我们先简单了解一下

实现功率变换的几种方法

首先是传统的线性稳压电源

线性稳压电源

为了保证输出电压的稳定

它是通过一个功率调整管

让它工作在线性区

从而控制它的 VCE 电压

来平衡输入电压的变化

所以它的原理很简单

它是通过功耗

也就是通过功率调整管上面的电压降

来调节输出功率的

除此以外

现在新兴的技术

还把这三种变压器 电感器 滤波器

三个元件把它集成在一个磁芯结构上

那就构成了所谓的集成磁件

比如说电感跟电感的集成

变压器根电感的集成

变压器跟变压器的集成

滤波器跟变压器的集成

滤波器跟电感的集成

以及差模共模电感的集成

那么这个呢实际上也是很大的一个内容

以后有机会再跟大家分享

功率变换器的磁性元件的重要性

会体现在什么地方呢

我们从这个几张图上就能看到了

这是一个光伏逆变器

其中的磁元件占了很大的一个比重

这是一个充电机

这里有一个磁元件

这里还有一个磁元件

那么这是一个开关电源

这是一个电源适配器

这是一个模块电源

这是一个负载点电源

这是一个芯片电源

实际上大家都能看到的

绝大部分的空间

都是磁性元件所占满

所以说磁性元件

对功率变换器的尺寸 重量

起了很大的一个作用

尤其是重量

磁原件都是由铜跟铁构成的

铜跟铁的比重

在功率变换器的元件里面它是最重的

同时呢还取决了它的形状和高度

那同时呢变压器

还起了一个安规的作用 隔离的作用

所以它还需要满足安规

和耐压的一个要求

此外功率变换器的元件中

芯片 开关管 电容

一般来说都是去买的

是可以去买的

那么它属于一个选件

但是只有磁性元件

由于每一个电源的规格不一样

工作频率不一样

尺寸不一样

成本不一样

它就要求我们磁元件

必须是一个客制化的设计

所以磁元件呢它是一个设计件

而不是一个选件

此外磁元件的损耗跟温升

也对变换器的性能有很大的影响

虽然开关损耗也占了很大的一个比重

但是呢磁元件的损耗它也是很大的比例

同时呢由于磁元件体积庞大

它的热阻大

它的最高温升跟表面温升的差距比较大

所以呢磁元件的温升

也是比较不好解决的一件事情

另外人工成本也影响很大

随着现在人工成本的增加

所以这一部分的加工的成本

也在很快的上升

再一个是参数的一致性

其它元件 芯片啊 电容啊 这些东西

它的生产都比较严格

都比较精密化

所以呢它的参数都比较一致

但是我们磁元件呢

除了铁芯的参数不一致以外

它的绕线工艺等等

都会影响它参数的不一致

所以呢我们要在设计磁元件时候呢

要给磁元件的参数

留出较大的一个变动空间

此外开关电源的电磁兼容问题

也跟磁元件密切相关

实际上很多噪声的干扰

都是由磁元件来产生的

除了电磁干扰以外

很多的音频噪声

我们的电源的音频噪声

实际上也是由磁元件造成的

还有很多的其它的各项指标

比如说这个控制的稳定性等等

也是跟磁元件有很大的一个关系

这张图上就看到了一个电源适配器

它这里面三大空间

一个磁滤波器基本上占了 1/4 的空间

那么 PFC 电感也占了很大的一个空间

那么这个是一个母线电容

虽然它体积也不小

但是呢它的重量很小

再往这边就是一个反激电路的变压器

所以从这里面看我们都看不到开关管

但是呢磁元件的体积跟重量

就具有非常大的一个影响

所以说我们讲高频磁性元件

它成为我们功率变换器

进一步发展的一个瓶颈

而且磁技术

也已经成为我们当前开关电源

主要关注的一个内容

各个企业都花了很多的精力

把这个磁元件的技术把它搞清楚

除此以外

磁元件对我们变换器的效率

也有很大的影响

为什么我们功率变换器的效率特性曲线

一般都是这样的一个抛物线

也就是一个二次函数

这是取决于它们损耗的来源

损耗的特性

损耗来源包括这么多

首先是控制芯片

控制芯片的损耗

基本上跟功率无关

只要有输出电压控制芯片在工作

那么它就有损耗

所以呢它是跟功率无关的一个损耗

开关器件它也存在损耗

它又分为开通损耗

关断损耗跟导通损耗

所以说它是跟功率的一次方有关

它也跟功率的二次方有关

再往那边就是一个三极管的损耗

那么三极管也包含了

VD 就正向压降的损耗

和导通电阻的损耗

那么正向压降损耗

是跟功率的一次方成正比的

导通损耗就跟电流的平方成正比的

再一个就是 PCB 上面的走线的损耗

那么这个是属于传导性损耗

它跟电流的平方是成正比的

那还有一个是电容的损耗

它基本上是跟电流的纹波成正比的

跟功率影响不大

再往后面就是一个磁元件了

磁元件它包含了磁芯损耗跟绕组损耗

那么对磁芯损耗来说

只要你绕组上面有电压

铁芯上就有磁通

那么有磁通 磁芯就会有损耗

所以呢磁芯损耗它基本上是与功率无关的

那么这时候呢它对轻载的影响

就起了一个主要的作用

另一个是绕组损耗

绕组损耗是属于传导性损耗

它是与功率的平方成正比的

所以呢它在重载的时候

对效率的影响会特别大

所以说一个磁元件它的损耗

实际上就影响了

我们整个功率变换器的效率特性曲线

那么磁元件损耗特性

就对我们变换器的效率和节能规范

具有重要的影响

尤其是一些能耗的指标

它并不追求额定功率的损耗

而是追求一个不同功率下面

效率一个加权的话

那么这条曲线就很重要了

那么要做到这一步

要做到去整个电源的这个

效率曲线是可控的

那么首先我们要对磁性元件的模型

尤其是损耗模型要有比较好的了解

那么这个才是我们设计的一个基础

随着我们用电效率的不断提高

那么也对我们功率变换器的发展呢

提出了很高的要求

那么简单来说就是高效率

高功率密度 高可靠性

那同时作为产品

它还要求有低价格

那么为了有更好的用户体验

它还要有低高度

所以我们就统称为三高两低

那么功率变换既要围绕着这个三高两低

我们可以从这几个方面去着手

第一个当然是开关器件

它是我们电力电子功率变换器的关键

那么器件 随着我们现在半导体器件

尤其是氮化镓碳化硅器件的发展

那么它的开关速度它的耐压它的温升

还有它的导通电阻都在很快的进步

那再一个呢就是一个电路拓扑

那么随着开关器件的

不断向着理想化的发展

我们的开关拓扑结构呢

也会越来越简单

像比如像主流的反激电路 LLC 电路

全桥移相电路

有源钳位电路 推挽电路等等

那么这个电路呢现在也都比较成熟

大家行业里面都知道

什么样的功率等级

大概有什么样的电路拓扑

那么除这个以外呢还有一个控制

为了实现控制

现在呢有很多的芯片可以选择

那么我们的工程师

真正在开发一个产品的时候

实际上在开关器件电路拓扑

跟控制技术方面

并没有必要花很大的精力

但是呢后面两个就很关键了

这个就是一个磁性元件

那么磁性元件的发展趋势

一个是高频化

因为根据我们的电磁感应定律

只有频率提高了我们的体积

铁芯的截面积

绕组的面积的匝数才可以降低

所以高频化是磁元件的

发展的一个很大很明显的一个趋势

但是高频化后

就带来损耗 涡流损耗的急剧的增大

以及分布参数效应的影响不断加强

这是高频化的问题

那再一个趋势呢就是集成化

集成话的意思什么呢

就是把不同功能的磁性元件

把它设计在一个磁芯结构上

那么我们就利用这些

磁芯上面的磁通的纹波的关系

实现纹波的抵消来降低磁芯损耗

同时也可以通过绕组上面

电流纹波的抵消

或者通过磁元件的耦合集成

来把我的纹波降低

那也有机会降低我的绕组损耗

所以即使在不增加频率的情况下

通过磁集成

我们也可以把

功率变换器的体积做的更小

再一个就是最优化

前面我们说过

磁元件的设计

实际上它是一个设计件

而不是一个选件

而且呢它的影响因素很多

磁芯的大小尺寸形状

还有各种各样的规格

以及我们绕组的匝数

线规 股数 绞线的绞距

还有绕组的布局方式等等

都影响我们磁元件的性能

所以呢它存在着很大的一个优化的机会

那么再有一个随着频率的提高

磁元件它必然会存在着

电场或者磁场的泄漏

那么电场磁场泄露在高频下

它的作用就会更强

那么就会造成很多的电磁兼容的问题

再一个主题就是一个制程工艺了

前面说过很多的元器件

它们都是工业化制成 精密化制成了

但是呢只有我们的磁元件

目前还很多是属于手工的

或者说简单的自动化制成

那么简单的自动化制成呢

就造成一个可靠性的降低

或者参数的不一致

那么这就使得我们的磁元件

在自动化方面

现在实际上也发展得非常快

但是呢这个对于批量大的

可能就自动化的程度会高一点

但是如果批量小的话呢

可能自动化从成本上考虑

也不是很值得

但是呢磁元件的自动化生产

肯定是发展的一个趋势

好那么我们第一章呢

第一节呢就讲到这里

谢谢大家