高频变压器的设计ha

2021-5-28 1 l 变 压 器 基 础 知 识1、 变 压 器 组 成 ：原 边 （ 初 级 primary side ） 绕 组副 边 绕 组 （ 次 级 secondary side ） 原 边 电 感 （ 励 磁 电 感 ） -magnetizing inductance漏 感 -leakage inductance副 边 开 路 或 者 短 路 测 量 原 边电 感 分 别 得 励 磁 电 感 和 漏 感匝 数 比 ： K =Np/Ns=V1/V22、 变 压 器 的 构 成 以 及 作 用 ： 1） 电 气 隔 离 2） 储 能 3） 变 压 4） 变 流 2021-5-28 2 高 频 变 压 器 设 计 程 序 ：1.磁 芯 材 料 2.磁 芯 结 构3.磁 芯 参 数 4.线 圈 参 数5.组 装 结 构 6.温 升 校 核 2021-5-28 3 1.磁 芯 材 料 软 磁 铁 氧 体 由 于 自 身 的 特 点 在 开 关 电 源 中 应 用 很 广 泛 。其 优 点 是 电 阻 率 高 、 交 流 涡 流 损 耗 小 ， 价 格 便 宜 ， 易 加工 成 各 种 形 状 的 磁 芯 。 缺 点 是 工 作 磁 通 密 度 低 ， 磁 导 率不 高 ， 磁 致 伸 缩 大 ， 对 温 度 变 化 比 较 敏 感 。 选 择 哪 一 类软 磁 铁 氧 体 材 料 更 能 全 面 满 足 高 频 变 压 器 的 设 计 要 求 ，进 行 认 真 考 虑 ， 才 可 以 使 设 计 出 来 的 变 压 器 达 到 比 较 理想 的 性 能 价 格 比 。 2021-5-28 4 2.磁 芯 结 构 选 择 磁 芯 结 构 时 考 虑 的 因 数 有 ： 降 低 漏 磁 和 漏 感 ，增 加 线 圈 散 热 面 积 ， 有 利 于 屏 蔽 ， 线 圈 绕 线 容 易 ， 装 配接 线 方 便 等 。 漏 磁 和 漏 感 与 磁 芯 结 构 有 直 接 关 系 。 如 果 磁 芯 不 需要 气 隙 ， 则 尽 可 能 采 用 封 闭 的 环 形 和 方 框 型 结 构 磁 芯 。 2021-5-28 5 2021-5-28 6 3.磁 芯 参 数 ： 磁 芯 参 数 设 计 中 ， 要 特 别 注 意 工 作 磁 通 密 度 不 只 是受 磁 化 曲 线 限 制 ， 还 要 受 损 耗 的 限 制 ， 同 时 还 与 功 率 传 送 的 工作 方 式 有 关 。 磁 通 单 方 向 变 化 时 ： B=Bs-Br， 既 受 饱 和 磁 通密 度 限 制 ， 又 更 主 要 是 受 损 耗 限 制 ， （ 损 耗 引 起 温 升 ， 温 升 又会 影 响 磁 通 密 度 ） 。 工 作 磁 通 密 度 Bm=0.6 0.7B 开 气 隙 可 以 降 低 Br,以 增 大 磁 通 密 度 变 化 值 B， 开 气 隙 后 ， 励磁 电 流 有 所 增 加 ， 但 是 可 以 减 小 磁 芯 体 积 。 对 于 磁 通 双 向 工 作而 言 ： 最 大 的 工 作 磁 通 密 度 Bm， B=2Bm。 在 双 方 向 变 化 工 作模 式 时 ， 还 要 注 意 由 于 各 种 原 因 造 成 励 磁 的 正 负 变 化 的 伏 秒 面积 不 相 等 ， 而 出 现 直 流 偏 磁 问 题 。 可 以 在 磁 芯 中 加 一 个 小 气 隙 ，或 者 在 电 路 设 计 时 加 隔 直 流 电 容 。 2021-5-28 7 2021-5-28 8 4.线 圈 参 数 ： 线 圈 参 数 包 括 ： 匝 数 ， 导 线 截 面 （ 直 径 ） ， 导 线 形 式 ，绕 组 排 列 和 绝 缘 安 排 。 导 线 截 面 （ 直 径 ） 决 定 于 绕 组 的 电 流 密 度 。 通 常 取 J为2.5 4A/mm2。 导 线 直 径 的 选 择 还 要 考 虑 趋 肤 效 应 。 如必 要 ， 还 要 经 过 变 压 器 温 升 校 核 后 进 行 必 要 的 调 整 。 2021-5-28 9 4.线 圈 参 数 ： 一 般 用 的 绕 组 排 列 方 式 ： 原 绕 组 靠 近 磁 芯 ， 副 绕 组 反馈 绕 组 逐 渐 向 外 排 列 。 下 面 推 荐 两 种 绕 组 排 列 形 式 ：1） 如 果 原 绕 组 电 压 高 （ 例 如 220V） ， 副 绕 组 电 压 低 ， 可以 采 用 副 绕 组 靠 近 磁 芯 ， 接 着 绕 反 馈 绕 组 ， 原 绕 组 在最 外 层 的 绕 组 排 列 形 式 ， 这 样 有 利 于 原 绕 组 对 磁 芯 的绝 缘 安 排 ；2） 如 果 要 增 加 原 副 绕 组 之 间 的 耦 合 ， 可 以 采 用 一 半 原 绕组 靠 近 磁 芯 ， 接 着 绕 反 馈 绕 组 和 副 绕 组 ， 最 外 层 再 绕一 半 原 绕 组 的 排 列 形 式 ， 这 样 有 利 于 减 小 漏 感 。 2021-5-28 10 5.组 装 结 构 ： 高 频 电 源 变 压 器 组 装 结 构 分 为 卧 式 和 立 式 两 种 。 如 果选 用 平 面 磁 芯 、 片 式 磁 芯 和 薄 膜 磁 芯 ， 都 采 用 卧 式 组装 结 构 。6.温 升 校 核 ： 温 升 校 核 可 以 通 过 计 算 和 样 品 测 试 进 行 。 实 验 温 升 低于 允 许 温 升 15度 以 上 ， 适 当 增 加 电 流 密 度 和 减 小 导 线截 面 ， 如 果 超 过 允 许 温 升 ， 适 当 减 小 电 流 密 度 和 增 加导 线 截 面 ， 如 增 加 直 径 ， 窗 口 绕 不 下 ， 要 加 大 磁 芯 ，增 加 磁 芯 的 散 热 面 积 。 2021-5-28 11 功 率 变 压 器 根 据 拓 扑 结 构 分 为 三 大 类 ：（ 1） 反 激 式 变 压 器 ；（ 2） 正 激 式 变 压 器 ；（ 3） 推 挽 式 变 压 器 （ 全 桥 /半 桥 变 换 器 中 的 变 压 器 ）磁 芯 结 构 适 合 的 拓 扑 结 构 形 式 如 下 页 表 所 示 ： 2021-5-28 12 磁 芯 结 构 变 换 器 电 路 类 型反 激 式 正 激 式 推 挽 式E cores + + 0Planar E Cores - + 0EFD Cores - + +ETD Cores 0 + +ER Cores 0 + +U Cores + 0 0RM Cores 0 + 0EP Cores - + 0P Cores - + 0Ring Cores - + +=适 合 ； 0=一 般 ； -=不 适 合 2021-5-28 13 磁 芯 材 料 的 选 择 应 注 意 的 问 题 ： 1、 软 磁 铁 氧 体 ， 由 于 具 有 价 格 低 、 适 应 性 能 和 高 频 性 能 好 等 特 点 ，而 被 广 泛 应 用 于 开 关 电 源 中 。 2、 软 磁 铁 氧 体 ， 常 用 的 分 为 锰 锌 铁 氧 体 和 镍 锌 铁 氧 体 两 大 系 列 ，锰 锌 铁 氧 体 的 组 成 部 分 是 Fe2O3， MnCO3， ZnO， 它 主 要 应 用 在 1MHz以 下 的 各 类 滤 波 器 、 电 感 器 、 变 压 器 等 ， 用 途 广 泛 。 而 镍 锌 铁 氧 体的 组 成 部 分 是 Fe2O3， NiO， ZnO等 ， 主 要 用 于 1MHz以 上 的 各 种 调 感绕 组 、 抗 干 扰 磁 珠 、 共 用 天 线 匹 配 器 等 。 3、 在 开 关 电 源 中 应 用 最 为 广 泛 的 是 锰 锌 铁 氧 体 磁 心 ， 而 且 视 其 用途 不 同 ， 材 料 选 择 也 不 相 同 。 用 于 电 源 输 入 滤 波 器 部 分 的 磁 心 多 为高 导 磁 率 磁 心 ， 其 材 料 牌 号 多 为 R4K R10K， 即 相 对 磁 导 率 为4000 10000左 右 的 铁 氧 体 磁 心 ， 而 用 于 主 变 压 器 、 输 出 滤 波 器 等多 为 高 饱 和 磁 通 密 度 的 磁 性 材 料 ， 其 Bs为 0.5T（ 即 5000GS） 左 右 。 2021-5-28 14 开 关 电 源 用 铁 氧 体 磁 性 材 应 满 足 以 下 要 求 ： （ 1） 具 有 较 高 的 饱 和 磁 通 密 度 Bs和 较 低 的 剩 余 磁 通 密 度 Br 磁 通 密 度 Bs的 高 低 ， 对 于 变 压 器 和 绕 制 结 果 有 一 定 影 响 。 从 理 论 上 讲 ， Bs高 ， 变 压 器 绕 组 匝 数 可 以 减 小 ， 铜 损 也 随 之 减 小 在 实 际 应 用 中 ， 开 关 电 源 高 频 变 换 器 的 电 路 形 式 很 多 ， 对 于 变 压 器 而 言 ， 其 工 作 形 式 可 分 为 两 大 类 ： 1） 双 极 性 ： 电 路 为 半 桥 、 全 桥 、 推 挽 等 。 变 压 器 一 次 绕 组 里 正 负半 周 励 磁 电 流 大 小 相 等 ， 方 向 相 反 ， 因 此 对 于 变 压 器 磁 心 里 的 磁 通变 化 ， 也 是 对 称 的 上 下 移 动 ， B的 最 大 变 化 范 围 为 B=2Bm， 磁 心 中的 直 流 分 量 基 本 抵 消 。 2） 单 极 性 ： 电 路 为 单 端 正 激 、 单 端 反 激 等 ， 变 压 器 一 次 绕 组 在 1个周 期 内 加 上 1个 单 向 的 方 波 脉 冲 电 压 （ 单 端 反 激 式 如 此 ） 。 变 压 器磁 心 单 向 励 磁 ， 磁 通 密 度 在 最 大 值 Bm到 剩 余 磁 通 密 度 Br之 间 变 化 ，这 时 的 B=Bm Br， 若 减 小 Br， 增 大 饱 和 磁 通 密 度 Bs， 可 以 提 高 B， 降 低 匝 数 ， 减 小 铜 耗 。 2021-5-28 15 变 压 器 或 者 电 感 根 据 在 拓 扑 结 构 中 的 工 作 方 式 分 为 三 大 类 ： 1、直 流 滤 波 电 感 工 作 状 态 ， 电 感 磁 芯 只 工 作 在 一 个 象 限 。 属 于 这类 工 作 状 态 的 电 感 有 Boost电 感 、 Buck电 感 、 Buck/boost电 感 、正 激 以 及 所 有 推 挽 拓 扑 变 换 器 输 出 滤 波 电 感 、 单 端 反 激 变 换 器变 压 器 ； 2、 正 激 变 换 器 中 的 变 压 器 ， 磁 芯 也 只 工 作 在 一 个 象 限 ，但 变 压 器 要 进 行 磁 复 位 。 3、 推 挽 拓 扑 中 的 变 压 器 ， 磁 芯 是 双 向 交 变 磁 化 ， 属 于 这类 的 变 换 器 有 推 挽 变 换 器 、 半 桥 和 全 桥 变 换 器 、 交 流 滤 波 电 感等 。 2021-5-28 16 （ 2） 在 高 频 下 具 有 较 低 的 功 率 损 耗 铁 氧 体 的 功 率 损 耗 ， 不 仅 影 响 电 源 输 出 效 率 ， 同 时 会 导 致 磁 心 发热 ， 波 形 畸 变 等 不 良 后 果 。 变 压 器 的 发 热 问 题 ， 在 实 际 应 用 中 极 为 普 遍 ， 它 主 要 是 由 变 压 器的 铜 损 和 磁 心 损 耗 引 起 的 。 如 果 在 设 计 变 压 器 时 ， Bm选 择 过 低 ，绕 组 匝 数 过 多 ， 就 会 导 致 绕 组 发 热 ， 并 同 时 向 磁 心 传 输 热 量 ， 使 磁心 发 热 。 反 之 ， 若 磁 心 发 热 为 主 体 ， 也 会 导 致 绕 组 发 热 。 选 择 铁 氧 体 材 料 时 ， 要 求 功 率 损 耗 随 温 度 的 变 化 呈 负 温 度 系 数 关系 。 这 是 因 为 ， 假 如 磁 心 损 耗 为 发 热 主 体 ， 使 变 压 器 温 度 上 升 ， 而温 度 上 升 又 导 致 磁 心 损 耗 进 一 步 增 大 ， 从 而 形 成 恶 性 循 环 ， 最 终 将使 功 率 管 和 变 压 器 及 其 他 一 些 元 件 烧 毁 。 因 此 国 内 外 在 研 制 功 率 铁氧 体 时 ， 必 须 解 决 磁 性 材 料 本 身 功 率 损 耗 负 温 度 系 数 问 题 ， 这 也 是电 源 用 磁 性 材 料 的 一 个 显 著 特 点 ， 日 本 TDK公 司 的 PC40及 国 产 的R2KB等 材 料 均 能 满 足 这 一 要 求 。 2021-5-28 17 （ 3） 适 中 的 磁 导 率 相 对 磁 导 率 究 竟 选 取 多 少 合 适 呢 ？ 这 要 根 据 实 际 线 路 的 开 关 频 率来 决 定 ， 一 般 相 对 磁 导 率 为 2000的 材 料 ， 其 适 用 频 率 在 300kHz以下 ， 有 时 也 可 以 高 些 ， 但 最 高 不 能 高 于 500kHz。 对 于 高 于 这 一 频 段的 材 料 ， 应 选 择 磁 导 率 偏 低 一 点 的 磁 性 材 料 ， 一 般 为 1300左 右 。 （ 4） 较 高 的 居 里 温 度 居 里 温 度 是 表 示 磁 性 材 料 失 去 磁 特 性 的 温 度 ， 一 般 材 料 的 居 里 温度 在 200 以 上 ， 但 是 变 压 器 的 实 际 工 作 温 度 不 应 高 于 80 ， 这 是因 为 在 100 以 上 时 ， 其 饱 和 磁 通 密 度 Bs已 跌 至 常 温 时 的 70 。 因此 过 高 的 工 作 温 度 会 使 磁 心 的 饱 和 磁 通 密 度 跌 落 的 更 严 重 。 再 者 ，当 高 于 100 时 ， 其 功 耗 已 经 呈 正 温 度 系 数 ， 会 导 致 恶 性 循 环 。 对于 R2KB2材 料 ， 其 允 许 功 耗 对 应 的 温 度 已 经 达 到 110 ， 居 里 温 度高 达 240 ， 满 足 高 温 使 用 要 求 。 2021-5-28 18 变 压 器 的 设 计 原 则 及 方 法设 计 变 压 器 主 要 有 很 两 种 方 法 ： 面 积 积 AP法 AP： 磁 芯 截 面积 Ae与 线 圈 有 效 窗 口 面 积 Aw的 乘 积 。 PT-变 压 器 的 计 算 功 率Ae-磁 芯 有 效 截 面 积Aw-磁 芯 窗 口 面 积Ko-磁 芯 窗 口 利 用 系 数 ， 典 型 值 为 0.4Kf-波 形 系 数 ， 方 波 为 4， 正 弦 波 为 4.44Bw-磁 芯 的 工 作 磁 感 强 度Fs-开 关 工 作 频 率 Kj-电 流 密 度 系 数 ， 取 395A/cm2X-磁 芯 结 构 系 数 ， P107表 3-8 2021-5-28 19 按 照 功 率 变 压 器 的 设 计 方 法 ， 用 面 积 积 AP法设 计 变 压 器 的 一 般 步 骤 ：1 .选 择 磁 芯 材 料 ， 计 算 变 压 器 的 视 在 功 率 ；2. 确 定 磁 芯 截 面 尺 寸 AP， 根 据 AP值 选 择 磁 芯尺 寸 ；3. 计 算 原 副 边 电 感 量 及 匝 数 ；4. 计 算 空 气 隙 的 长 度 ；5. 根 据 电 流 密 度 和 原 副 边 有 效 值 电 流 求 线 径 ；6. 求 铜 损 和 铁 损 是 否 满 足 要 求 （ 比 如 ： 允 许损 耗 和 温 升 ） 2021-5-28 20 1. 选 择 磁 芯 材 料 ， 确 定 变 压 器 的 视 在 功 率 PT； 考 虑 成 本 因 数 在 此 选 择 PC40材 质 ， 查 PC40资 料 得 Bs=0.39T Br=0.06T max 0.39 0.06 0.33s rB B B T T T 为 了 防 止 磁 芯 的 瞬 间 出 现 饱 和 ， 预 留 一 定 裕 量 ， 取 Bm= Bmax*0.6=0.198T 取 0.2T电 源 的 基 本 参 数 如 右 ：选 择 反 激 拓 扑 。 2021-5-28 21 2. 计 算 AP （ 用 Excel表 格 来 计 算 AP值 ）变 压 器 视 在 功 率 PT： 对 于 反 激 拓 扑 来 说 ，(21 1)*3 (21 1)*3 148.50.8outT in out outPP P P P W 4 4*10 0.783* *1000* *Tm s uPAP cmB f J K 式 中 ： J电 流 密 度 ， 通 常 取 395A/cm2; Ku是 铜 窗 有 效 使 用 系 数 ， 根 据 安 规 要 求 和 输 出 路 数 决 定 ， 一般 取 0.2 0.4。 在 此 计 算 取 0.4 2021-5-28 22 根 据 上 图 ， 选 择 大 于 计 算 AP值 的 磁 芯EE3528， 相 关 参 数 是 ： Ae:84.8mm2 AP： 1.3398cm4 Wa： 158mm2 AL： 2600nH/H2 2021-5-28 23 反 为 了 适 应 突 变 的 负 载 电 流 ， 把 电 源 设 计 在 临 界 模 式 ：临 界 电 流 I0B=0.8 I0=2.4A 3. 计 算 原 、 副 边 电 感 量 及 匝 数 2021-5-28 24 原 、 副 边 峰 值 电 流 原 、 副 边 及 辅 助 绕组 的 匝 数 2021-5-28 25 为 了 避 免 磁 芯 饱 和 ， 在 磁 回 路 中 加 入 一 个 适 当 的 气 隙 ， 计算 如 下 ： 2 820.4 * * *10l 0.4 * 3.14156 *106 * 84.8 0.831434 * 0.001p eg pN AL m m d 1.13* 0.346prmswp I mmJ 5.原 、 副 边 及 辅 助 绕 组 的 线 径有 两 种 方 法 ： 1、 求 裸 线 面 积 ； 2、 求 导 线 直 径 （ J电 流 密 度 取4A/mm2) 用 两 根 直 径 为 0.18mm线 并 绕 ， 或 者 用 AWG #28单 股 线3 2*0.77A 0.731*10rmsxp I cmJ 可 能 要 用 气 隙 磁 通 边 缘 效 应 校 正 匝 数 2021-5-28 26 次 级 线 径 ： 0d 1.13* 1.0wp I mmJ 用 4根 直 径 为 0.25mm（ AWG #31） 的 线 并 绕 。 电 流 趋 肤 深 度 的 计 算76.5* *1000 0.31*2*0.9 0.558 sWH f mmd mm 多 股 线 并 绕 时 的 线 径 必 须 小 于 或 等 于 dwH， 单 线 绕 制时 ， 线 径 如 果 超 过 dWH值 就 要 考 虑 采 用 多 股 线 并 绕 。 2021-5-28 27 6. 计 算 铜 损 Pcu和 铁 损 Pfe（ 变 压 器 总 损 耗 Ploss) a)原 边 和 副 边 绕 组 损 耗 。 其 中 ， MLT为 磁 芯 的 平 均 匝 长 62 62 2( )* * *10* *( )* * *10* *(1 ) *ppcu pav psscu sav s out scu pcu scuR MLT N cmP I R DR MLT N cmP I R D I RP P P 2021-5-28 28 b)计 算 在 效 率 下 允 许 的 总 损 耗 Ploss和 允 许 铁 损 耗 fe3 1.39 2.193 /MOSP0.262*10 * * *10outloss out lossfe loss cufe mfe tfePP P PP P P mWP f B gmmWP Wgm 是 整 个 电 路 的 损 耗 ，包 括 二 极 管 管 等 损 耗实 际 的 肯 定 要 比 计 算 出 来 的要 小 很 多 ， 这 里 只 是 作 参 考 而 以c) 根 据 铁 芯 损 耗 曲 线求 工 作 下 实 际 发 生的 损 耗 ：单 位 重 量 铁 损 ：实 际 发 生 的 铁 损 ： 实 际 发 生 的 铁 损 应 该 小 于 允 许 铁 损 耗 。 2021-5-28 29 d)计 算 单 位 面 积 损 耗 值 =Ploss/As若 值 引 起 的 温 升 小 于 25度 ， 设 计 通 过 。 7. 计 算 Bw工 作 磁 通 密 度 Bw应 该 在 设 计 指 标 要 求 之 内 ， BwBs-Br,以 避 免 磁芯 出 现 饱 和