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