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未解决

谐振电感发热很严重

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dianyuanfish
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高级工程师
  • 2016-7-19 20:24:45
10问答币
一个4KW的LLC谐振全桥变换器,输入直流300VDC,谐振频率100KHZ,谐振电感用PQ5050,满载跑了半个小时,管子以及变压器温度都在合理范围内,但是谐振电感温度就太高了,成像仪观察有105°C之高(室温32°C),跑了半个小时之后明显听到电感发出了吱吱不和谐声,感觉就要饱和的样子了。

谐振电感基本参数如下:
Ae=332平方mm,90股0.3mm直径的漆包线分成两股并饶,绕制圈数6T,中柱磨气息1.2mm左右,感量12uH,并以感量为标准适当调整气息长度。

测试谐振电流,电流峰值差不多20A,大家说为什么谐振电感如此热,是铁损还是铜损太厉害了?还是边缘磁通引起的涡流效应导致?我应该采用怎么样的改进方式?谢谢

wbt100
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LV8
副总工程师
  • 2016-7-20 08:06:23
 
继续老化下去会炸鸡吗?
dianyuanfish
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高级工程师
  • 2016-7-20 08:42:41
 
估计肯定炸了,那个吱吱声听得心里直发毛。
goupanda
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副总工程师
  • 2016-7-20 08:21:41
 
1、磁通摆幅有点大,有0.24T,导致磁损大,建议增加到12T看看
2、如果还热,绕线要避开开气隙的地方
dianyuanfish
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高级工程师
  • 2016-7-20 08:45:51
 
12T?那要开多大的气息才可以呀?是原来的4倍了,5cm长度气息,不怕这个边缘磁通效应么?这个窗口面积下,这么多匝数想要避开气息那基本上是不可能的。
dianyuanfish
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高级工程师
  • 2016-7-20 08:50:57
 
感量值是严格核算过的了,谐振电感12uH,变压器的励磁电感38uH,K值取3,变压器漏感控制在1uH左右,基本上参数可以说是无问题的。
dianyuanfish
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高级工程师
  • 2016-7-20 09:52:39
 
顺便这里有一个关于磁通密度的小疑问,顺带请教一下。 本帖最后由 dianyuanfish 于 2016-7-20 14:37 编辑

dianyuanfish
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高级工程师
  • 2016-7-20 15:24:38
 
磁化曲线.JPG

本帖最后由 dianyuanfish 于 2016-7-20 15:26 编辑

joezzhang
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  • 2016-7-20 15:55:18
 
磁摆幅是+/-0.12T,损耗按0.12T算。
看看是不是磁心材质的问题?你的气隙开到1.2mm,假设初始磁导率3000,等效磁路长度3.6m

H=NI/l=33.3A/m,如果Hc在25A/m左右的话,这个磁滞损耗太大了。

换大一点的磁心,减少圈数和气隙,把H提高到100A/m
dianyuanfish
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高级工程师
  • 2016-7-20 17:01:31
 
对于这个功率等级而言,这个磁芯块头还不够大?再往上走就是加厚型EE55了,真心觉得别扭
joezzhang
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副总工程师
  • 2016-7-20 22:06:58
 
如果你的磁心材质没问题,简单一点的方案:减少两圈,保持感量不变




dianyuanfish
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高级工程师
  • 2016-7-20 22:26:10
 
变压器厂家虽然是一个小厂家,但是一直坚称磁芯全部货真价实,是来自新康达的!我也不会判断。
dianyuanfish
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高级工程师
  • 2016-7-20 17:03:35
 
刚刚我按照以下的方法预估了一下其总损耗,不知道是否有失偏颇?

这两者相加,不过也就是6W的损耗左右,但是为什么会如此发热?还是我估算的方法根本就不对?因为电感前方还有一个3800转的6020风扇对着它吹的,如果上述方法没有太大问题的话,那如此大发热量的根源在哪里?难道就是中柱气息的边缘磁通效应罪魁祸首了
本帖最后由 dianyuanfish 于 2016-7-26 20:18 编辑

星宇
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  • 2016-7-20 21:20:10
 
匝数增加,电感量增加大,电容减小,就你现在这个参数,我估计效率有点低!我6000W的谐振电感都才PQ5050的磁芯!
dianyuanfish
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高级工程师
  • 2016-7-20 22:30:05
 
DCDC变换器的效率初步测试了一下,确实效率有点低,才92%。
dianyuanfish
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高级工程师
  • 2016-7-20 22:35:34
 
星版觉得应该加大K值,从而加大励磁电感,降低原边环流,提高效率?
dianyuanfish
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高级工程师
  • 2016-7-20 22:36:17
 
请问星版,我上面估算这个谐振电感总损耗的方法是否可以作为参考?
dianyuanfish
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高级工程师
  • 2016-7-21 11:32:45
 
顶起,求助ing
yjbgkwin
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高级工程师
  • 2016-7-21 17:09:39
 
PQ5050的热阻是 16℃/W, 6W足够产生出快100度的温升了,降损耗
dianyuanfish
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高级工程师
  • 2016-7-21 19:34:41
 
不是吧!这么离谱
暴走的毕小黑
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高级工程师
  • 2016-10-26 16:59:32
 
楼主,问题解决了吗
tankchen
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  • 2016-10-28 11:08:58
 
楼主的计算基本上都是合理的,但是在处理谐振电感的细节上,一定是出现了问题的,才会导致你电感温度过高的真正原因,我之前看过爱默生的3KW, 用的是PQ3230的磁芯作为谐振电感,频率是220KHZ, 后来我自己做的3KW(48V/60A), 用的也是PQ30/30的磁芯,问题都不大。好吧,言归正传:1. 磁芯一定没有问题,NCD的磁芯当然是一点问题没有,即使略差一档的厂商来做,也是没问题的
2. 0.3*90股的线,有些问题,本来300VDC是不用考虑漆包线的趋肤深度的,但是,这对窗口利用面积Kj, 会有一定的影响,假想你这6圈绕在里面肯定很空,很虚,从而磁芯的整个窗口都没有有效的利用起来,还不如换个小点的磁芯,把整个窗口利用起来,或是把线径和股数作些修改,让整个线圈更丰满些。
3. 最关键的当然是放在最后,就是气隙处理的问题,1.2mm的气隙看似不大,小功率只要在中间开即可,但是对大功率而言,这样处理就会有些问题存在,内部形成的祸流损耗或许让你的电感温度达到120度是很正常的,因此,我的建议是:在两边垫0.5mm气隙,把气隙分成了三分气隙的局面,按我的经验,可以让你的温度从120度,降到80度左右,不信你可以试试,当然,如果你想更低的,可以中间采用分段气隙,那效果也是一样的。
yuyan
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LV8
副总工程师
  • 2016-11-1 14:03:10
 
兄台,你那4KW 全桥LLC用的什么芯片来做的?是模拟还是DSP方案,看你电感选那么大,应该是自然冷却吧

星宇
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  • 2016-11-2 00:02:17
 
NCP1396都柯以做!
stoneshilin
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本网技师
  • 2016-11-17 17:28:48
 
兄台请问下,你做的3kW谐振电感用PQ3030,大概电感值多少?工作频率如何?绕的匝数?气隙的大小与处理方式?绕组电流密度大小以及绕组绕制的时候有什么特别注意的地方么?最终温升大概怎样?我们也设计的3kW,但是用PQ3535发热挺严重的,使劲优化但是效果不明显,所以想参考一下,谢谢了。。。
星宇
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版主
  • 2016-11-17 21:15:00
 
你问谁啊?
tankchen
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助理工程师
  • 2016-11-18 07:54:38
 
发热严重?得看多少度,而且你可以测量下,是磁芯发热,还是线圈发热?如果是线圈,你可以想办法增加线径,减小电流的密度,电流密度一般在5~8A/mm^2, 如果还是发热严重,可以考虑分段气隙,我上面也有讲过,并使用多股利兹线来绕,效果会好很多,我做的是48V/60A的电源
jingjingjiang
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本网技师
  • 2016-11-20 17:15:28
 
安全第一
六方菩提
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副总工程师
  • 2018-6-26 15:29:26
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网上搜一下谐振电感烫,就到这了。看起来PQ磁芯做谐振电感是可以的,受教了,谢谢给位。
xsaqs
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高级工程师
  • 2018-12-14 18:24:49
  • 倒数9
 
温度高,Bsat下降,估计快饱和; 需要增加匝数;   另外各位大神有没有考虑过短路瞬间,谐振电感饱和问题;
XZPower
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初级工程师
  • 2019-7-26 11:05:26
  • 倒数8
 
解决方法:先在BOBBIN骨架槽正中间处绕2mm左右的挡墙胶带与槽面相平,再绕丝包线,避开磁芯中芯柱气隙产生的边缘磁通引起的涡流效应。

 电源中的电感设计对很多工程师来说并不困难,以铁氧体材料电感为例,设计时有一个公认的准则,即峰值磁通密度Bpk不超过0.3T(磁芯材料不同,该值可能会略有不同)以防止饱和。实际上,不仅仅是自行设计的电感,成品电感的饱和电流Isat也是按照类似的准则计算出来的。那么,这种0.3T准则能适用于所有的电源应用吗?
  多年前,我设计了一款电源,经典的PFC+LLC结构电源。LLC的谐振电感采用的是铁氧体材质的EI22磁芯,没有借用变压器原边漏感(条件所限,漏感值不好控制)。电感按照0.3T的峰值磁通密度进行的设计,LLC满载时工作频率为110K。
  调试过程中发现,电路板各个位置的波形和其他器件的温度完全正常,只有谐振电感发热严重,以至于工作一段时间后,竟然达到居里温度从而失效,电源输出变为(芯片的保护机制起作用了)。电感的铁损(磁芯损耗),理论上的计算结果是0.3W;电感匝数为14圈,按照5A/mm2的电流密度设计的线径,理论上的铜损(按照铜在100℃时的电阻率计算)约0.15W。
  于是,接下来的一整天,我穷尽自己的想象力,试图解决这一问题;比如用多股利兹线代替漆包线、增加线径、减小匝数和更换磁芯材质等等,可(gai)爱(si)的电感仍然顽固的热的发烫;唯一的发现是换更大的磁芯(保持电感量和匝数不变),温度会低一些,可惜电路板很紧凑而且高度受限,很难放下更大的磁芯了;给电感加散热片?还是干脆改PCB板换更大的磁芯呢?
  第二天,迷茫的我在电脑上无聊的翻看LLC的资料,突然间一张图片吸引了我——LLC的原边电流波形,接近完美的正弦波,和实验测得的没什么不一样。可我左看右看上看下看,总感觉这个图片不简单~~。
  问题出在哪儿呢?就在对着图片发呆的时候,我突然意识到正弦波电流波形和一般电感电流波形的本质区别。这并不是指正弦波和三角波的区别,而是正弦波每个周期电流是有正有负的。由于电感中,磁通密度B和电感电流成正比:
  其中L是电感量,N是匝数,Ae是有效截面积。
  因此电流波形也就是磁通密度B的波形:
  我们都知道知道磁芯损耗与工作频率正相关,频率越高磁芯损耗越大。电源满载时的工作频率是110K,难道是由于电流每个周期有正有负,导致电感的△B每个周期变化两次?也许应该按照两倍开关频率即220KHz计算磁芯损耗?
  我立即打开EXCEL计算表格,更新了我的计算书。计算结果显示,把计算磁芯损耗时的频率由110K提高到220K后,磁芯损耗约为1.1W,是原来的整整3倍多!
  我真高兴啊,以为自己已经找到了磁芯发热的原因。不过,冷静下来之后想一想:1W多的损耗好像并不足以使一个EI22的磁芯达到居里温度。按照EE-EI-ETD-EC型磁芯的经验公式:
  其中Ve的单位为cm3
  EI22磁芯在1W多损耗时的温升约50度......
  看来要解决问题,还是得回归基本理论。我重新翻阅了磁芯损耗方面的资料,结论是:如果磁芯的材质已经选定,那么单位体积的磁芯损耗主要取决于两个因素,一是工作频率,二是磁通的变化量,也就是磁通摆幅。
  正弦波电流所引起的磁通密度B的波形也是正弦波,因此磁芯的摆幅△B不是从正的或者负的峰值到零,而是从正的峰值到负的峰值,是峰值磁通密度的2倍,即:
  △B=2Bpk=0.6T!!!
  同样,磁通的摆动频率并不是开关频率的2倍,而是等于开关频率110KHz,如下图所示:
  将0.6T的磁通摆幅和110KHz的频率输入计算表格,磁芯损耗达到了2.3W,总损耗带来的温升是99度!磁芯内部的温度会更高。这完美解释了电感异常发热的现象,也解释了更换大磁芯的话电感发热会缓解的原因(保持圈数和电感量不变的情况下,Ae大则△B小,从而单位体积磁芯损耗减小了,但由于Ve也增加了,因此损耗会有所减小但不会成比例减小)。
  那么,为什么△B增加,频率f同比例降低时,磁芯发热会加剧而不是减小呢?
  根据《精通开关电源设计》第二章中的描述,单位体积磁芯损耗一般表示为:
  其中要注意Bac指的是△B/2(这是磁材供应商的规定,一般工程惯例)。
  常数1、常数2和常数3都由磁芯材料决定;其中,常数2是Bac的指数,常数3是频率f的指数,而绝大多数铁氧体磁性材料的常数2要大于常数3;也就是说,如果Bac加倍而f减半,磁芯损耗仍然会增加!由于指数函数的特点,Bac的变化在整个公式中的影响是最大的。
  我们可以计算出磁芯损耗和铜损,而二者的和就是电感总损耗,因此在Excel(或者其他软件如mathcad制作的计算书)中调整Bpk的取值,可以得到最优的电感匝数N:
  其中L由整个LLC谐振电路计算得出,一旦设计好就固定不变,Ipk是原边电流峰值,Ae是磁芯的有效截面积。
  所以,故事的结局是,我没有更换体积更大的磁芯,也没有减少匝数,而是增加匝数(保持电感量不变)!根据计算,我将Bpk取为0.1T,电感的匝数由14圈大幅增加到40圈,实测电感的温升只有25℃,电感上的损耗减小了近2W,整个电源的效率也相应的提高。
  写在最后:
  1.不仅仅是LLC的谐振电感,凡是串联在桥式电路原边主回路中的电感(比如移相全桥的谐振电感),0.3T准则并不适用;因为此时的△B=2Bpk,若Bpk=0.3T那么△B=0.6T;这样,电感的关键问题不是防止饱和,而是磁芯损耗远大于普通的电感应用,因此Bpk需取0.15T或者更低,建议大家进行计算以取得电感损耗的最优值。
  2.如果选择成品电感作为这类谐振电感,那么也要小心的选择,使成品电感的额定饱和电流Isat比我们电路中的峰值电流Ipk至少大一倍。这是由于成品电感规格书中的饱和电流Isat,基本也是按照类似的0.3T准则给出的。
  3.对于频率很高的一般DC-DC应用,电感磁芯损耗仍然值得关注。这是由于尽管△B不大,比如电流纹波率取0.4,Bpk取0.3T,那么磁通变化量或者叫磁通摆幅△B将为0.12T;但由于频率很高,假设磁芯材料为飞磁(Ferroxcube)的3F3,那么1MHz开关频率将带来1.15W/cm3的损耗,2MHz开关频率将带来4.6W/cm3的损耗。另外,DC-DC应用随着电容技术的进步,电流纹波率取得越来越大以尽量减小电感体积,会使△B也相应增加,单位体积磁芯损耗会更大。在这种情况下,0.3T准则同样不适用。
  4.对于借用变压器原边漏感作为谐振电感的应用,并没有这种问题。因为尽管单位体积的磁芯损耗和我们上述的分析结果别无二致,但由于漏磁通起作用的有效磁芯体积相对于整个变压器的Ve来说,是非常小的(漏磁其余的磁路都在空气中),根据:
  磁芯损耗Pcore =单位体积磁芯损耗×有效磁芯体积
  可见漏感带来的磁芯损耗非常小,可以忽略不计。至于变压器本身的磁芯损耗,与电感的磁芯损耗有相似之处,但也有很大的不同,下期会进行探讨。

鸡腿
  • 鸡腿
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  • 2019-8-21 21:04:52
  • 倒数5
 
层主你好,我个人感觉你说B为2倍的Bpk导致发热严重,有点不靠谱,我觉得还是你说的双倍频率导致发热严重为根本原因;如下图,右下图就是你的观点;

Snap9.jpg
涛声依旧xjt
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  • 2019-11-20 10:36:35
  • 倒数4
 
您好,请问磁芯损耗的资料能分享一下吗?3079947128@qq.com     谢谢
ruohan
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  • 2019-11-20 16:40:47
  • 倒数3
 
朋友,你这个设计外谐振电感的峰值电流怎么计算得到的,以及电感参数,
有么有具体公式啊,
CDWY
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  • 2021-8-28 01:11:37
  • 倒数2
 
好文章,必须赞。谐振电感发热解决思路。
CDWY
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最新回复
  • 2022-6-18 02:25:00
  • 倒数1
 
感谢分享,对我来说很有启发。
zhoupeng888
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助理工程师
  • 2019-8-17 11:37:37
  • 倒数7
 
  铁氧体绕线电感发热的危害?

  铁氧体电感材料工作时,可能因为线圈电流过大或者磁性材料损耗过大(磁滞损耗和涡流损耗)导致发热,轻微的发热没有什么很大影响,但严重发热对于铁氧体材料是相当危险的,因为铁氧体材料的居里点(磁性材料失去铁磁性的温度)较低,一般锰锌铁氧体和锰锌功率铁氧体只有100摄氏度略高一点(镍锌铁氧体更高一些),一旦发热使得铁氧体温度达到或者超过了居里点,铁氧体材料会瞬间失去磁性,立即使得线圈电感量下降到接近0,可能瞬间就会烧毁驱动器件。

  纯铁的居里点高达770摄氏度,可见羰基铁粉芯材料对发热的承受能力远高于镍锌铁氧体,这也是羰基铁粉芯材料更加适合高频大功率场合的一个原因。

  磁芯和绕线电感线圈发热主要是因为磁芯截面积太小、磁饱和等原因,也可能是工作频率太高。

  磁环不宜直接绕制逆变变压器,最好使用EE、EI等磁芯,因为磁环磁路中没有气隙,磁阻小,很容易导致磁感应强度过大而饱和,一旦磁饱和,线圈电感会急剧下降,电流也会急剧增大,就容易导致严重的发热。但如果某些振荡是基于磁饱和原理而振荡的(例如电子镇流器电路),就必须用磁环。

  如果是驱动场管烫手,更要高度怀疑是否磁芯已经饱和导致电流过大。http://www.cenkersz.com/

星宇
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版主
  • 2019-8-17 13:30:03
  • 倒数6
 
100度?你做过实验?
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