此培训资料来源于德州仪器（TI）和中国电源学会（世纪电源网）合作 举办的“TI 现场培训”课程，世纪电源网同意在 TI 网站上分享这些文档 。 1 1 第一讲 功率变换器磁集成技术 第一讲 功率变换器磁集成技术 陈为陈为博士博士 chw 福州大学电气工程与自动化学院 教授 中国电源学会常务理事、磁技术专业委员会主任委员 福州大学电气工程与自动化学院 教授 中国电源学会常务理事、磁技术专业委员会主任委员 变压器磁技术高级培训班 2 主要内容主要内容 磁集成基本概念及其意义 耦合电感技术及其应用 变压器与电感的集成技术 EMI滤波器的磁集成技术 磁集成电路的分析方法 磁集成电路拓扑分析 中国电源设计工程师职业技能提升培训： 1 1 第一讲 功率变换器磁集成技术 第一讲 功率变换器磁集成技术 陈为陈为博士博士 chw 福州大学电气工程与自动化学院 教授 中国电源学会常务理事、磁技术专业委员会主任委员 福州大学电气工程与自动化学院 教授 中国电源学会常务理事、磁技术专业委员会主任委员 变压器磁技术高级培训班 2015年 2 主要内容主要内容 磁集成基本概念及其意义 耦合电感技术及其应用 变压器与电感的集成技术 EMI滤波器的磁集成技术 磁集成电路的分析方法 磁集成电路拓扑分析 2 3 功率变换器中的磁性元件功率变换器中的磁性元件 SR DMC D2A CMC PFC L TX TX 滤波器滤波器 差模电感 共模电感 差+共模集成电感 变压器变压器 正激变压器 多路输出变压器 反激变压器 中间抽头变压器 推挽变压器 电感器电感器 直流滤波电感器 谐振电感器 PFC电感器 逆变电感器 集成磁件集成磁件 电感+电感 变压器+电感 变压器+变压器 滤波器+变压器 滤波器+电感 4 磁性元件的重要性和所面临的挑战磁性元件的重要性和所面临的挑战 开关功率变换器 输入输出 高频磁性元件高频磁性元件/磁技术已经成为功率变换器进一步发展的瓶颈磁技术已经成为功率变换器进一步发展的瓶颈 磁技术已经成为当前开关电源主要关注内容磁技术已经成为当前开关电源主要关注内容 重量：铁+铜 尺寸和形状：体积大，高度高 重量：铜+铁 安规：绝缘，安全 制程：人工，成本高，一致性差 功耗：损耗大，难计算 温升：难以散热，热点温度高 法规: 能源之星, 80+, 综合能效 性能：音频噪声，EMI，控制，可靠 性，电压调整率,等等。 重量：铁+铜 尺寸和形状：体积大，高度高 重量：铜+铁 安规：绝缘，安全 制程：人工，成本高，一致性差 功耗：损耗大，难计算 温升：难以散热，热点温度高 法规: 能源之星, 80+, 综合能效 性能：音频噪声，EMI，控制，可靠 性，电压调整率,等等。 2 3 功率变换器中的磁性元件功率变换器中的磁性元件 SR DMC D2A CMC PFC L TX TX 滤波器滤波器 差模电感 共模电感 差+共模集成电感 变压器变压器 正激变压器 多路输出变压器 反激变压器 中间抽头变压器 推挽变压器 电感器电感器 直流滤波电感器 谐振电感器 PFC电感器 逆变电感器 集成磁件集成磁件 电感+电感 变压器+电感 变压器+变压器 滤波器+变压器 滤波器+电感 4 磁性元件的重要性和所面临的挑战磁性元件的重要性和所面临的挑战 开关功率变换器 输入输出 高频磁性元件高频磁性元件/磁技术已经成为功率变换器进一步发展的瓶颈磁技术已经成为功率变换器进一步发展的瓶颈 磁技术已经成为当前开关电源主要关注内容磁技术已经成为当前开关电源主要关注内容 重量：铁+铜 尺寸和形状：体积大，高度高 重量：铜+铁 安规：绝缘，安全 制程：人工，成本高，一致性差 功耗：损耗大，难计算 温升：难以散热，热点温度高 法规: 能源之星, 80+, 综合能效 性能：音频噪声，EMI，控制，可靠 性，电压调整率,等等。 重量：铁+铜 尺寸和形状：体积大，高度高 重量：铜+铁 安规：绝缘，安全 制程：人工，成本高，一致性差 功耗：损耗大，难计算 温升：难以散热，热点温度高 法规: 能源之星, 80+, 综合能效 性能：音频噪声，EMI，控制，可靠 性，电压调整率,等等。 3 5 高频磁性元件的全面设计考虑高频磁性元件的全面设计考虑 结构结构电气电气损耗损耗温升温升 e e l AN L 2 833. 0 )( S P T EMIEMI杂散参数杂散参数 空间可行性电气可行性电气应力效率/功率密度温升规范EMI规范空间可行性电气可行性电气应力效率/功率密度温升规范EMI规范 6 PlanarMatrixModuleIntegratedHybridHigh freq. 功率变换器高频磁技术的发展功率变换器高频磁技术的发展 Micro-fabricated 高频化平面化阵列化模块化集成化微型化合成化高频化平面化阵列化模块化集成化微型化合成化 3 5 高频磁性元件的全面设计考虑高频磁性元件的全面设计考虑 结构结构电气电气损耗损耗温升温升 e e l AN L 2 833. 0 )( S P T EMIEMI杂散参数杂散参数 空间可行性电气可行性电气应力效率/功率密度温升规范EMI规范空间可行性电气可行性电气应力效率/功率密度温升规范EMI规范 6 PlanarMatrixModuleIntegratedHybridHigh freq. 功率变换器高频磁技术的发展功率变换器高频磁技术的发展 Micro-fabricated 高频化平面化阵列化模块化集成化微型化合成化高频化平面化阵列化模块化集成化微型化合成化 4 7 研究如何利用各磁性元件磁路中的磁通分布特点以及各个绕组间的 磁通耦合关系，将各种功能的磁性元件集成在一个复杂磁芯结构上。 研究如何利用各磁性元件磁路中的磁通分布特点以及各个绕组间的 磁通耦合关系，将各种功能的磁性元件集成在一个复杂磁芯结构上。 研究如何有效地、巧妙地利用磁性元件的杂散参数研究如何有效地、巧妙地利用磁性元件的杂散参数 设计如何在产品上实现集成磁件的最佳应用，工艺制程，参数控制 以及品质检测方法。 设计如何在产品上实现集成磁件的最佳应用，工艺制程，参数控制 以及品质检测方法。 缩小磁元件的尺寸缩小磁元件的尺寸 降低磁元件的损耗降低磁元件的损耗 减少磁元件的数量减少磁元件的数量 降低磁元件的成本降低磁元件的成本 提高开关电源的效率提高开关电源的效率 产生新的电路拓扑产生新的电路拓扑 磁集成的目的磁集成的目的 什么是磁集成技术什么是磁集成技术 8 功率磁性元件磁集成的意义功率磁性元件磁集成的意义 SR DMC D2A CMC PFC L TX TX 变压器 滤波器 电感器 变压器 滤波器 电感器 高频化和集成化是磁元件高密度化的重要手段 4 7 研究如何利用各磁性元件磁路中的磁通分布特点以及各个绕组间的 磁通耦合关系，将各种功能的磁性元件集成在一个复杂磁芯结构上。 研究如何利用各磁性元件磁路中的磁通分布特点以及各个绕组间的 磁通耦合关系，将各种功能的磁性元件集成在一个复杂磁芯结构上。 研究如何有效地、巧妙地利用磁性元件的杂散参数研究如何有效地、巧妙地利用磁性元件的杂散参数 设计如何在产品上实现集成磁件的最佳应用，工艺制程，参数控制 以及品质检测方法。 设计如何在产品上实现集成磁件的最佳应用，工艺制程，参数控制 以及品质检测方法。 缩小磁元件的尺寸缩小磁元件的尺寸 降低磁元件的损耗降低磁元件的损耗 减少磁元件的数量减少磁元件的数量 降低磁元件的成本降低磁元件的成本 提高开关电源的效率提高开关电源的效率 产生新的电路拓扑产生新的电路拓扑 磁集成的目的磁集成的目的 什么是磁集成技术什么是磁集成技术 8 功率磁性元件磁集成的意义功率磁性元件磁集成的意义 SR DMC D2A CMC PFC L TX TX 变压器 滤波器 电感器 变压器 滤波器 电感器 高频化和集成化是磁元件高密度化的重要手段 5 9 Flyback TX/Inductor (Lm+TX) * * Lm TX TX with large leakage (Lk+TX) *Lk TX 大家熟悉的磁集成大家熟悉的磁集成 Coupled Inductor L+L = 3L * L1L2 M L1-ML2-M M Decoupling 10 耦合电感技术及其应用耦合电感技术及其应用 5 9 Flyback TX/Inductor (Lm+TX) * * Lm TX TX with large leakage (Lk+TX) *Lk TX 大家熟悉的磁集成大家熟悉的磁集成 Coupled Inductor L+L = 3L * L1L2 M L1-ML2-M M Decoupling 10 耦合电感技术及其应用耦合电感技术及其应用 6 11 * * 1 2 3 4 12 v 34 v 12 v * 34 v 1 2 3 4 1 i 2 i 1 i 2 i L1L2 M Lk1Lk2 Lm1n 耦合电感的电气模型耦合电感的电气模型 互感模型T-模型互感模型T-模型 mk LLL 11 2 22 nLLL mk nLM m 12 Lm Lk1Lk21:n Lm Lk 1:n Lm Lk1Lk2n=N2/N1 T-模型的变形T-模型的变形 物理意义不够明确物理意义不够明确 分析比较方便分析比较方便 但注意但注意n n并不等于匝数比并不等于匝数比 比较适用于原边激励、副边 感应的情况（变压器） 比较适用于原边激励、副边 感应的情况（变压器） 物理意义比较明确物理意义比较明确 n n等于匝数比，可设定等于匝数比，可设定 比较适用于两边同为激励的 情况（耦合电感） 比较适用于两边同为激励的 情况（耦合电感） 6 11 * * 1 2 3 4 12 v 34 v 12 v * 34 v 1 2 3 4 1 i 2 i 1 i 2 i L1L2 M Lk1Lk2 Lm1n 耦合电感的电气模型耦合电感的电气模型 互感模型T-模型互感模型T-模型 mk LLL 11 2 22 nLLL mk nLM m 12 Lm Lk1Lk21:n Lm Lk 1:n Lm Lk1Lk2n=N2/N1 T-模型的变形T-模型的变形 物理意义不够明确物理意义不够明确 分析比较方便分析比较方便 但注意但注意n n并不等于匝数比并不等于匝数比 比较适用于原边激励、副边 感应的情况（变压器） 比较适用于原边激励、副边 感应的情况（变压器） 物理意义比较明确物理意义比较明确 n n等于匝数比，可设定等于匝数比，可设定 比较适用于两边同为激励的 情况（耦合电感） 比较适用于两边同为激励的 情况（耦合电感） 7 13 耦合电感的实现方式耦合电感的实现方式 通过磁路建立耦合通过磁路建立耦合 L2 Lk1:n21:n1 L1 通过电路建立耦合通过电路建立耦合 L2 Lk1:11:1 L1 Lk=Lk=0Lk Lk 无耦合全耦合部分耦合 14 R Rm1m1R Rm2m2 R Rm0m0 耦合电感的参数计算耦合电感的参数计算 Lm Lk1 Lm Lk1Lk2Lk2 n n 2边短路: 2边短路: R Rm2m2 2 21 1 1 / / k mk mom LN LL nRR Lm Lk1 Lm Lk1Lk2Lk2n n 2边开路: 2边开路: R Rm1m1 R Rm2m2 R Rm0m0 2 2 111 2 /() mom kmm mom RR LLNR RR L