开关电源高频变压器的设计

2020 4 15 1 变压器基础知识1 变压器组成 原边绕组 初级primaryside 副边绕组 次级secondaryside 原边电感 励磁电感 magnetizinginductance漏感 leakageinductance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 2020 4 15 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 2020 4 15 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 2020 4 15 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 2020 4 15 5 2020 4 15 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 7 B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 2020 4 15 7 2020 4 15 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 2020 4 15 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 2020 4 15 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 2020 4 15 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 2020 4 15 12 适合 0 一般 不适合 2020 4 15 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 2020 4 15 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 2020 4 15 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 2020 4 15 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 2020 4 15 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 2020 4 15 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 2020 4 15 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 2020 4 15 20 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 39TBr 0 06T 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 2020 4 15 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 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 2020 4 15 22 根据上图 选择大于计算AP值的磁芯EE3528 相关参数是 Ae 84 8mm2AP 1 3398cm4Wa 158mm2AL 2600nH H2 2020 4 15 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 2020 4 15 24 原 副边峰值电流 原 副边及辅助绕组的匝数 2020 4 15 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 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 可能要用气隙磁通边缘效应校正匝数 2020 4 15 26 次级线径 用4根直径为0 25mm AWG 31 的线并绕 电流趋肤深度的计算 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 2020 4 15 27 6 计算铜损Pcu和铁损Pfe 变压器总损