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对于磁滞损耗问题

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问题描述

每一种拓扑,在选定磁材料后,都存在一个最佳的开关频率,使得开关电源的功率密度最高。请问这个开关频率怎么得到?

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牧羊人·90.00

2016-12-20 23:28:17提问

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我也认为这个问题不是很合理,首先变压器或电感的磁性材料选择是根据其应用场合确定,磁性材料如铁氧体,MPP,Cool u, High Flux, 有不同的损耗特效,最大饱和磁通等,根据拓扑中需要的开关频率,电流情况做合理选择。选好磁性材料后设计变压器通常情况是根据已经确定的开关频率来设计需要的参数。而这个开关频率的确定要考虑器件及驱动的允许范围,其次就是选择合理区间避免EMI干扰严重。由于EMI标准要求测试150K-30M,我们不希望第一个在该频段出现的噪声离150K太接近。这样选择80k,或160k都是很不理想的。选择60-70K,120k,大于200K等,就有利于EMI特性。因此开关频率设计并不是由磁性材料决定。如果需要优化系统开关频率实现高功率密度,一般认为是频率越高,越有利于实现高功率密度。

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  吴斌·250.00

2017-01-12 23:23:21回答

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类似于在微电子产业中著名的摩尔定律,从1970年开始,电力电子变换器的功率密度大约每十年增加一倍。这和功率半导体发展的轨迹密切相关,受益于硅器件封装和沟道结构不断的发展,开关频率已经推到了兆赫兹级别,被动元件的体积不断减小,变换器提高了功率密度,但是高开关频率带来的高开关损耗、高磁芯损耗使得整个系统损耗大幅增加,散热系统也随之增加,所以现在阻碍电力电子变换器功率密度进一步提高的技术屏障在散热系统和高频电磁设计,以及先进的功率集成和封装技术。为了维持这个功率密度的发展速度,很多电力电子前沿研究已经转移到散热基板研究,被动元件集成等方面的研究,所以题主你明白我的意思了吗?就算你现在把开关频率提到很高,功率密度也是被这些因素制约的。下面我稍微展开来说下:
1.开关损耗
开关损耗确实是限制因素之一,但是氮化镓器件的推出已经让开关损耗在1-3Mhz这个范围内变得可以接受,我下面附一张图片,这是三家公司推出的650V的GaN device,可以看出最好的管子开通损耗已经4uJ,关断损耗在8uJ(测试条件在400V, 12A),还有一家叫RFMD的公司,其650V的管子基本可以和Transphorm平齐。而同电压电流等级的硅器件很多管子都还在以mJ为单位。
下面在贴出一张低压氮化镓和硅器件的比较,可以看出,总体来说,驱动损耗也会变得很小。 还有一点很重要,宽禁带半导体的工作结温很高,以目前的工艺来说,Sic的结温可以工作到200°,氮化镓可以工作到150°。而硅器件呢,我觉得最多100°就不得了。结温高,意味着相同损耗下,需要给宽禁带半导体设计的散热器表面积要小很多,何况宽禁带半导体的损耗本身还小。
但是开关频率的提高,往往只能使用QFN或者其他一些表贴器件减少封装寄生参数,这给散热系统带来了极大的挑战,原来To封装可以加散热器,减少到空气对流的热阻,而现在不行了。所以如果想在高频下工作,第一问题就是解决散热,把高开关损耗导出去,尤其是在kW级别,散热系统非常重要。现在学界解决这个问题的手段偏向于把器件做成独立封装,采用一种叫DCB的技术,用陶瓷基板散热,器件从陶瓷上表面到下表面的热阻基本为0.4°C/W(有些人也用metal core PCB, 但是要加绝缘层,热阻一般在4°C/W),而FR4为20°C/W。
 总结一下,半导体不断在发展,开关损耗也在显著下降,而封装越来越小,现在来看,我们要做的是怎么把那些热量从那么小的表贴封装下散出去。 总结一下,半导体不断在发展,开关损耗也在显著下降,而封装越来越小,现在来看,我们要做的是怎么把那些热量从那么小的表贴封装下散出去。
2.EMI和干扰
在我接触EMI前,很多老工程师以他们有丰富的EMI调试经验来鄙视我们这些菜鸟,搞的我一直以为EMI是门玄学,也有很多人动不动就拿EMI出来吓人。我想说EMI确实很难理解,很难有精确的纸面设计,但是通过研究我们还是能知道大概趋势指导设计,而不是一些工程嘴里完全靠trial and error的流程。我先给出结论,EMI确实和开关频率不成线性关系,某些开关频率下,EMI滤波器的转折频率较高,但是总体趋势而言,是开关频率越高,EMI体积越小!
我知道很多人开始喷我了,怎么可能,di/dt和dv/dt都大了,怎么可能EMI滤波体积还小了。我想说一句,共模和差模滤波器的没有区别,相同的截止频率下,高频的衰减更大!就算你高频下共模噪声越大,但是你的记住,这个频率下LC滤波器的衰减更大,想想幅频曲线吧。为了说明这个结论,我给出一些定量分析结果。这些EMI分析均基于AC/DC三相整流,拓扑为维也纳整流。我分别给出了1Mhz和500Khz的共模噪声,可以看出,500khz共模滤波器需要的截止频率为19.2kHz,1MHz为31.2kHz。

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  滴答·110.00

2016-12-29 17:42:54回答

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你的理解有些片面,最佳工作频率是根据实际的需要来定的。例如逆变器,为了保证稳定性和带宽一般取定LC的转折频率的5~10倍,就是为了保证稳定性。如果要是功率密度最高,那么频率越高越好,所以现在的氮化镓的频率做到1MHZ就是为了减小磁性元件的体积,频率越高磁性元件体积可以越小,但是这样也带来了一个问题,就是开关频率越高开关损耗越高,发热越严重,散热器越大,又会导致功率密度降低,根据这种情况,LLC谐振电路成为热点研究,但LLC又不是万能的,结构负责,参数设计困难,而且环境温度对其又影响。所以,最佳的开关频率,是在功率密度,稳定性,动态性能等各方面指标平均下,折中来选择,而且是反复试验的结果。

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  rainbowII·190.00

2016-12-21 08:26:10回答

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