功率电感优化设计
分析高压大功率平面变压器和电感器的优化设计
分析高压大功率平面变压器和电感器的优化设计摘要：平面变压器是一种新兴的开关电源产品，其设计合理性能够直接影响到开关电源产品的大小、成本和性能，鉴于此，要想使其在一些大功率开关电源设备中发挥出最大的利用价值，关键任务就是要对当前结构设计较为复杂的大功率平面变压器和电感器进行全面的优化与完善。
本文也会通过相应的仿真模型，来对两者的优化设计进行着重分析，并提出合理的意见和建议，以便有关人士参考。
关键词：平面变压器；电感器；优化设计要点；研究分析前言目前，在高压大功率场合中，大功率平面变压器一般都会根据拓扑电路进行单独设计，而一般的设计方法仅仅是满足电路能正常工作，并不是性价比高的设计，鉴于此，要想改善现状，使大功率平面变压器在高压大功率开关领域中得到更好的应用与发展，当务之急就是要对平面变压器和电压器的结构设计进行全面的优化。
1.高压大功率平面变压器的热仿真及优化设计分析通常，判断平面变压器的设计是否合理，关键任务就是要看其温升是否合理，即变压器的工作温度是否为最佳工作温度。
鉴于此，在对高压大功率平面变压器进行优化设计时，就要采用AnsysWorkbench热仿真软件对平面变压器进行热仿真分析，在这一环节中，首先要根据变压器实物构建一个热仿真模型，如图一所示。
并在模型中输入相应的模型参数，如材料参数、环境参数等，同时还要利用有限元的方法对这些参数进行计算，这样才能在后处理结果中获得变压器的温度参数。
从最终仿真结果来看，平面变压器的绕组温升较低，而磁芯的温升较高，这证明变压器在运行过程中，会产生较大的磁芯损耗。
另外，为了准确计算出变压器的热阻值，还要在热仿真模型中分别将磁芯损耗和绕组损耗设置成唯一的热源，这样能根据模型求解出变压器的热阻值，即根据模型求解结果显示，当变压器在运行期间磁芯温度和绕组温度都高于标准值时，就会产生单磁芯损耗问题；另外，若变压器在工作状态下，仅绕组温度较高，而磁芯温度正常时，会产生单绕组损耗问题，鉴于上述情况，要想得以改善，就要结合热电相似原理，将最大温升带入到热模型中，来对模型中各部分热阻进行计算。
简单的电感设计方法
根据阴极电流来选侧漆包线的线径 （我们一般按2-4A的电流密度来计 算，若是大功率的你还得考虑趋附 效应。）
THANK YOU .
简单的电感设计方法
深圳新晨阳电子有限公司 提供
第一步
用调试的方法确定我们需要的电感量,工作频率（工作频率对电感 的优化很关键，会影响磁芯的损耗，三极管的开关损耗,所以这些 值都不一定是最终值，为了电路优化的需要可能 后面还要改的，但一点不会变功率是不会变的)。
新晨阳电子
第三步
用估算的磁芯和气隙来验算实际的磁感应强度（这是最关键的步骤，就电感参数的优化过程， 直接关系到磁芯，线圈的损耗的温升），这个优化过程你只要仔细看懂我上面的分析就能理解 优化的过程。（工作中实际功率100W，我用EE28的电感比别人用EE33的温度还低，整体损耗能 控制到0.1，所以优化参数很重要）
功率电感的设计范文
功率电感的设计范文功率电感是电子设备中常用的元件之一，它能够储存和释放电能，起到过滤和稳压的作用。
在设计功率电感时，需要考虑许多因素，包括电感值、电流容量、损耗、磁芯材料等。
本文将从功率电感的设计流程、关键技术指标和设计注意事项等方面展开论述。
一、设计流程1.确定设计要求：包括工作频率、电感值、电流容量等。
2.选择磁芯材料：根据设计要求选择适合的磁芯材料，常见的有铁氧体、氧化铝陶瓷等。
3.计算绕组参数：根据工作频率和电感值计算绕组的匝数、线径和层数等。
4.确定绕组结构：根据实际使用情况选择单层绕组、多层绕组或空心绕组等。
5.优化设计：通过计算和仿真等手段优化设计，提高功率电感的性能。
6.制造和测试：根据设计要求进行电感的制造和测试。
二、关键技术指标1.电感值：功率电感的电感值是设计的基本要求之一，根据实际需要确定。
2.电流容量：功率电感需要承受较大的电流，所以在设计时需要考虑其电流容量，并选择合适的导线。
3.损耗：功率电感在工作过程中会产生一定的损耗，需要根据设计要求选择合适的磁芯材料和绕组结构，以减少损耗。
4.阻抗：功率电感的阻抗影响着电路的稳定性，要根据设计要求选择合适的电感值和绕组结构，以提高阻抗匹配。
5.温升：功率电感在工作过程中会产生一定的热量，需要合理设计绕组结构和散热措施，以保证电感的温升不超过规定值。
三、设计注意事项1.选择合适的磁芯材料：根据电感值、工作频率和电流容量等选择合适的磁芯材料，以提高功率电感的效果。
2.确定绕组结构：根据实际使用情况选择合适的绕组结构，包括单层绕组、多层绕组或空心绕组等。
3.合理安排绕组结构：合理安排绕组的匝数、线径和层数等参数，以提高功率电感的效益。
4.注意磁芯的饱和问题：功率电感在工作过程中需要经受较大的磁场，需要注意磁芯的饱和问题，以保证电感的正常工作。
5.考虑散热问题：功率电感在工作过程中会产生一定的热量，需要合理设计绕组结构和散热措施，以保证电感的温升不超过规定值。
功率磁性器件优化设计
功率变压器:设计案例 6KW，半桥LLC变压器
频率优选：取决于铜、铁损分配
铁（固定损耗）
铁损5-10w，铜损20-25w 铁损为5.95w
Ve ≈ 35cm3 Core Loss：0 .17 w / cm 3
Flux Density：BM = 0.14T
5.9mJ
气隙体积(不计边缘效应): Vg
= 5.9 17.6
=
0.34cm3
注释：每mm气隙必须有800安匝 才能产生1T的磁感应强度
气隙：
lg
= 0.34 = 2.1mm 1.62
NI
= Hclc + H glg
=
B(
lc μc
+
lg μg
)
≈
B
lg μg
匝数：
N = 800× 0.21T × 2.1mm = 7匝 50.5 A
初级电流：25 A ⋅
20 14
=
35.7 A
/
可用0.14
×
36的铜带
肌肤效应：Δ ≈ 72 mm
f (Hz)
邻近效应: Dowell曲线，交/直流阻抗比
功率变压器:设计案例 6KW，半桥LLC变压器
绕线设计与铜损计算
如每线包不用三明治结构
则初级有效层数7，厚深比为
0.14 0.23
=
0.61
Rac / Rdc = 1.7
查磁密曲线可得：电流20A时（即H=158 oe 时），磁导率下降为约50%，电感量也下降到 约50%，其余类推
功率变压器:设计案例 6KW，半桥LLC变压器
额定输入360v，输出265v 电路优化：初级次级14:20，额定工作频率略低于谐振点较优。由于匝 比的整数效应，不能微调，只能通过磁芯尺寸和工作频率进一步优化
功率电感介绍及设计思路
功率电感介绍及设计思路功率电感是一种常用于电力电子装置中的重要元件。
它主要用于限制和稳定电流、滤波、隔离和传输能量等方面。
在本文中，我们将介绍功率电感的基本原理、设计思路和常见应用。
功率电感的基本原理是利用线圈的自感效应和磁场互感效应来限制和稳定电流。
当通过电流改变时，线圈内会产生磁场，这个磁场会导致电感的自感电动势。
自感电动势在电流变化时阻碍电流的改变，从而起到限制电流的作用。
此外，功率电感之间也存在磁场互感，通过在不同线圈上改变电流的方式，可以实现能量的传输和隔离。
在设计功率电感时，首先需要确定其所需的额定电流和电感值。
额定电流是指电感所能承受的最大电流，而电感值则是指电感在额定电流下的电感系数。
通常情况下，我们可以根据所需的功率和电压来估算额定电流，并根据所需的电感值来选择合适的线圈参数。
接下来，需要确定线圈的材料和结构。
线圈的材料应具有较高的导电性和热稳定性，如铜、铝等。
线圈的结构通常为螺旋形，可以采用单层或多层绕组，绕组的形状和尺寸也会影响电感的性能。
此外，还可以通过在绕组中加入铁芯来增加磁场。
为了提高功率电感的效率和稳定性，还可以采用一些辅助元件和措施。
例如，在电感的绕组上添加温度传感器可以实时监测电感的温度变化，并采取相应的保护措施。
另外，可以通过加入补偿电容和电阻来减小电感的失真和损耗，并提高频率响应。
功率电感在电力电子装置中有着广泛的应用。
其中，较常见的应用包括：直流-直流变换器、交流-直流变换器、交流-交流变换器、滤波电路、谐振电路等。
功率电感的选择和设计在这些应用中起着至关重要的作用，关系到系统的效率、稳定性和可靠性。
综上所述，功率电感是一种用于限制和稳定电流、滤波、隔离和传输能量的重要元件。
在设计功率电感时，需要确定其额定电流和电感值，并选择合适的线圈材料和结构。
通过添加辅助元件和采取措施，可以提高功率电感的效率和稳定性。
功率电感在电力电子装置中有着广泛的应用，对系统的效率和可靠性有着重要影响。
高效能磁性新材料-优化电感设计
Part Number Number of Cores (Stack)
Material Permeability AL (nH/T2) +/- 8% Specified Current Inductance MIN(mH) No Load Inductance (mH) +/- 8% Core Loss (W) Copper Loss (W) Total Loss (W) Approximate Fill Factor Wire Size (22AWG) DCR (mΩ, 20° C) Temp Rise (C°) Operating Temperature (C°) Number of Turns Wire Length (mm) Wire Cost Ratio Single Core Cost Ratio Total Cost Ratio Finished OD(mm) Finished HT(mm)
设计 #1 78337
5 XFLUX
26
340 0.2 0.286 16.9 99.5 116.4 54.80% 2.38mm 20 2.36 39.1 29 8151.856 1 1.5 1 181 181
设计 #2 77337
8 Kool Mµ
26
544 0.2 0.49 62.6 145.4 208 56.70% 2.38mm 20 3.45 48.5 30 16657 1.5 1 1.2 261 181
Kool Mµ ® MAX
• Kool Mµ® Max是升级版 Kool Mµ® • 直流偏置比Kool Mµ®好50%，损耗更低，成本远低于高磁通和
MPP磁芯。 • 环形磁芯磁导率从19µ-60µ可选择。 • 块状, E, U型磁芯正在开发中。
功率电感对电源的改善
基于改进的遗传算法软硬件划分方法研究集成电路在过去30年的发展几乎完全遵循Moore定律，即集成电路的集成度每隔18个月就翻一番。
现在集成电路的面积进一步减小，并获得更高的集成度。
集成度增加的结果就是能集成越来越多的功能，甚至是一个完整的系统都能够被集成到单个芯片之中。
这样原来由微处理器、协处理器和多块其他外围芯片组成的系统，可以集成在一块芯片内实现，这种一块芯片集成一个系统的技术，叫做系统集成芯片(soc，System-On—Chip)技术。
但是传统的系统设计面临着许多必须解决的矛盾问题，首先是系统高性能和低成本之间的矛盾；其次是系统复杂性与更新换代周期之间的矛盾。
面对这种矛盾，一个可行的解决方案是采用SOC软硬件协同设计方法。
而软硬件划分是软硬件协同设计方法的关键问题。
软硬件划分问题是一个多目标优化问题，在优化过程中要针对成本、面积、功耗、时间等多个目标。
现在已经有很多算法应用到软硬件划分中，如遗传算法、蚂蚁算法、禁忌搜索算法、模拟退火算法等。
本文主要采用基于小生境技术(Niching Methods)和精英保持策略的改进遗传算法来进行软硬件划分研究。
l 遗传算法基本思想美国Michigan大学J．Holland教授于1975年提出的遗传算法，遗传算法是以达尔文的自然选择和优胜劣汰的生物进化理论为基础的。
和传统的搜索算法不同，遗传算法从一组随机产生的成为种群(Population)的初始解开始搜索。
种群中的每一个体都是问题的一个解，称为染色体，这些染色体在后续迭代中不断进化，称为遗传。
在新一代形成中，根据适应值的大小选择部分后代，淘汰部分后代。
经过若干代之后，算法收敛于最好的染色体，它可能是问题的最优解或近似最优解。
图l是遗传算法基本的流程示意图。
遗传算法有三类基本的操作：选择(Selection)、交叉(Crossover)、和变异(Mutation)。
选择的目的是为了从当前群体中选出优良的个体，是它们有机会作为父代为下一代繁殖子孙，选择的原则是给予适应度强的个体较大的机会。
一种典型共模电感的设计及优化
一种典型共模电感的设计及优化共模电感在电力电子转换器中起着非常重要的作用，通过抑制共模电流，可以减小电磁干扰和提高系统的工作效率。
在设计和优化共模电感时，需要考虑多个因素，包括工作频率、电感值、电流负载、材料选择等。
本文将介绍一种典型的共模电感设计及其优化方法。
一、典型共模电感的设计------/\----元件图图中的线圈由一对螺线管组成，它们通过一个磁性材料隔开，以减小磁场的交叉干扰。
在设计共模电感时，需要确定线圈的匝数、线径、线圈排列方式等参数，并选择合适的磁性材料。
1.线圈设计线圈的设计是非常关键的一步，它会直接影响到共模电感的性能。
线圈的匝数需要根据工作频率和电感值来确定，通常使用下式计算匝数：N=(L*I)/B其中，N为匝数，L为所需电感值，I为电流负载，B为线圈的磁场强度。
线径的选择是根据电流负载及电感值而定的。
线径过细会造成电流通过时的损耗增加，而线径过粗则会影响电感值的稳定性。
因此，需要进行适当的线径计算和选择。
2.磁性材料选择磁性材料的选择直接影响到共模电感的性能。
常用的磁性材料包括铁氧体、软铁、磁性不锈钢等。
选择合适的材料需要考虑磁导率、剩余磁感应强度、饱和磁感应强度等因素。
二、共模电感的优化1.提高电感值电感值的大小对于共模电感的性能至关重要。
可以通过增加线圈的匝数、改变线径等方式来提高电感值。
另外，根据实际应用需求，还可以采用多种线圈的串联或并联方式来提高电感值。
2.降低电流负载共模电感承受的电流负载过大会导致温升过高、损耗增加等问题。
为了降低电流负载，可以采用串联多个共模电感来分担电流负载。
此外，合理布置线圈和选择合适的磁性材料也能有效降低电流负载。
3.优化线圈结构线圈的结构对共模电感的性能有着重要影响。
可以采用L型线圈、螺旋线圈等非规则形状设计来减小磁场的交叉干扰。
此外，还可以对线圈进行层间绝缘设计，减小绕线间的电容和耦合。
4.选择合适的磁性材料合适的磁性材料能够提高共模电感的性能。
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70kVA 成本优化案例 ---PPI芯替代 Sendust 2.优化前电感方案：
供应厂商：国外M公司 材料类别：26μSendust Cores 绕线圈数：50TS
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70kVA 成本优化案例 ---PPI芯替代 Sendust 3.优化后电感方案：
成本
电感成本降低20% 节约27%铜
优化后铜线
优化前电感成本
优化后电感成本
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70kVA 成本优化案例 ---PPI芯替代 Sendust 1.项目背景：
客
户：T公司 率 70kVA 率：
使用设备：UPS 功 工作频率 20KHz 工作频率： 20KH
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温度、成本优化案例 ---PPI替代铁粉芯 1.项目背景：
客
户：EM公司 率 30KvA 率： 30K A
使用设备：UPS 功 工作频率：16KHz 效率要求：92%
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温度、成本优化案例 ---PPI替代铁粉芯 2.改善前电感状况：
优化前后温升 效率基本一致 效率基本 致
91.5 °C
91 °C
优化前
优化后
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成本优化案例 ---PPI芯替代 Sendust 5.改善效果---成本对比：
优化后成本降低25%
成本对比
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 优化前铜线
绕线圈数减少18圈！
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温度、成本优化案例 ---PPI替代铁粉芯 4.改善效果---效率：
92.3% 整机效率提升 0.2%！ 92.1%
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温度、成本优化案例 ---PPI替代铁粉芯 5.磁芯静态性能对比---磁损耗：
磁致伸缩系数 理论为零 >0 >0 >0
Httpt://
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超低噪音金属磁粉芯
日立样品 立样品
测试条件： 5.8KW/ACL
NPF常规样品
POCO低噪音样品
Httpt://
70kVA 成本优化案例 ---PPI芯替代 Sendust 6.改善效果---半周感量变化（20%载）
红色：Sendust26μ 50T 蓝色：PPI 40μ 40T 黑色：PPI 40μ 43T
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70kVA 成本优化案例 ---PPI芯替代 Sendust 7.改善效果---纹波PK TO PK（满载）
¾功率电感优化的必要性
这么大！？
Httpt://
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¾功率电感优化的必要性
好重啊！
电
源
Httpt://
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功率电感优化设计
Httpt://
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概
¾功率电感优化的必要性 ¾功率电感优化内容 ¾优化案例分享 ¾总结
述
Httpt://
-34IRON CORE
PPI 40μ
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温度、成本优化案例 ---PPI替代铁粉芯 7.改善效果---温度：
温升 140 120 100 80 60 40 20 0 优化前 优化后
123 °C 94 °C
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Httpt://
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¾功率电感优化-成本优化
降低配件成本 多股线并绕实 现均流，采用 1/4 、 3/4 出线 方式 比传统电抗器更省成本
无断点连绕
Httpt://
¾ 选择损耗低材质的磁芯 均与气隙&无机绝缘
陶瓷体绝缘层
金属磁粉
9100%无机物绝缘--增大磁阻，减小高频涡流损耗 9均匀气隙 均匀气隙--无局部气隙损耗 无局部气隙损耗
Httpt://
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¾功率电感优化-成本优化
50-60%
100% load
铁硅电感
0
Irating
light load
ΔI
I_AVGຫໍສະໝຸດ I0tHttpt://
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¾功率电感优化-成本优化
¾ 改变磁芯形状优化成本
相同一段导线围成圆形实 现面积最大
节约铜线成成本降低低
供应厂商 铂科磁材 供应厂商：铂科磁材 材料类别：PPI磁粉芯 绕线圈数：40TS
绕线圈数减少10圈！
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70kVA 成本优化案例 ---PPI芯替代 Sendust 4.改善效果---效率、温升： 优化前后温升 效率基本 致 效率基本一致
¾功率电感优化内容
¾噪音的优化 ¾体积、重量的优化 体积 重量的优化 ¾效率的优化 ¾成本的优化
Httpt://
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¾功率电感优化-噪音优化
¾ 选择合适的磁芯
材料 铁硅（金属粉芯） 非晶 硅钢片（6.5%） 铁氧体
¾功率电感优化的必要性
多功能电 源，可以 煎鸡蛋！
Httpt://
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¾功率电感优化的必要性
和我们合 作没错， 我们有绝 对 价格优势！
Httpt://
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■
3 2500 mW/cm 3 1450mW/cm
■ ■ ■
900mW/cm3 600mW/cm3
磁损耗下降 60%以上！
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温度、成本优化案例 ---PPI替代铁粉芯 6.磁芯静态性能对比---直流偏置：
100 Oe电感量保 持66%
100 Oe电感量 保持72%
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¾功率电感优化-成本优化
¾ 线材优化成本
材质：铜（Cu） 材质 铝（Al） 材质：铝（Al）
Httpt://
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应用案例介绍
Httpt://
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成本优化案例 ---PPI芯替代 Sendust 2.优化前电感方案：
供应厂商：国外M公司 材料类别：26μSendust Cores 绕线圈数：55TS
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成本优化案例 ---PPI芯替代 Sendust 3.优化后电感方案：
优化案例 ---PPI替代铁粉芯 8.改善效果---成本：
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成本优化案例 ---PPI芯替代 Sendust 1.项目背景：
客
户：L公司 率 20kVA 率：
使用设备：UPS 功 工作频率 20KHz 工作频率： 20KH 效率要求 95% 效率要求：
74kW/70kW (105%) LK1 LK2 LK3 LK4 LK3-core Efficiency
PPI(40T) 53.9 °C 39.9 °C 49.7 °C 53 1 °C 53.1 46.2 °C 94 72% 94.72%
Sendust (50T) 52.45 °C 42.2 °C 55.1 °C 47 9 °C 47.9 50.3 °C 94 72% 94.72%
从哪里优化？
机箱？ 电路板？ 电子元件？ …… 功率电感！
Httpt://
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功率电感优化内容
为什么被 优化的总 是我！
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优化后波形较好
红色：Sendust26μ 50T 蓝色：PPI 40μ 40T 黑色：PPI 40μ 43T
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70kVA 成本优化案例 ---PPI芯替代 Sendust 8.改善效果---成本对比：
成本对比 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 优化前铜线 成本 本
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70kVA 成本优化案例 ---PPI芯替代 Sendust 5.改善效果---半周感量变化（满载）