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智能伺服变压器:深度讲解开关电源高频变压器的设计原则与流程!

2018-08-28 16:52:51 德州信平电子有限公司 阅读

开关电源中主要的发热元器件为半导体开关管、功率二极管、高频变压器、滤波电感等。不同器件有不同的控制发热量的方法。功率管是高频开关电源中发热量较大的器件之一,减小它的发热量,不仅可以提高功率管的可靠性,而且可以提高开关电源的可靠性,提高平均无故障时间(MTBF)。

开关管的发热量是由损耗引起的,开关管的损耗由开关过程损耗和通态损耗两部分组成,减小通态损耗可以通过选用低通态电阻的开关管来减小通态损耗;开关过程损耗是由于栅电荷大小及开关时间引起的,减小开关过程损耗可以选择开关速度更快、恢复时间更短的器件来减少。

但更为重要的是通过设计更优的控制方式和缓冲技术来减小损耗,如采用软开关技术,可以大大减小这种损耗。减小功率二极管的发热量,对交流整流及缓冲二极管,一般情况下不会有更好的控制技术来减小损耗,可以通过选择高质量的二极管来减小损耗。

对于变压器二次侧的整流可以选择效率更高的同步整流技术来减小损耗。对于高频磁性材料引起的损耗,要尽量避免趋肤效应,对于趋肤效应造成的影响,可采用多股细漆包线并绕的办法来解决。

高频电源变压器是工作频率超过中频(10kHz)的电源变压器,主要用于高频开关电源中作高频开关电源变压器,也有用于高频逆变电源和高频逆变焊机中作高频逆变电源变压器的。按工作频率高低,可分为几个档次:10kHz~50kHz、50kHz~100kHz、100kHz~500kHz、500kHz~1MHz、1MHz以上。

传送功率比较大的,工作频率比较低;传送功率比较小的,工作频率比较高。这样,既有工作频率的差别,又有送功率的差别,工作频率不同档次的电源变压器设计方法不一样.

高频电源变压器的设计原则

高频电源变压器的设计原则,是在具体使用条件下完成具体的功能中追求性能价格比最好。有时可能偏重性能和效率,有时可能偏重价格和成本。现在,轻、薄、短、小,成为高频电源的发展方向,是强调降低成本。其中成为一大难点的高频电源变压器,更需要在这方面下功夫。所以高频电源变压器的“设计要点”,性能,成本,如果能认真考虑一下高频电源变压器的设计原则,追求更好的性能价格比,传送不到10VA的单片开关电源高频变压器,应当设计出更轻、薄、短、小的方案来。市场的价值规律是无情的!许多性能好的产品,往往由于价格不能为市场接受而遭冷落和淘汰。

往往一种新产品最后被成本否决。要“节能又节钱”. 产品成本,不但包括材料成本,生产成本,还包括研发成本,设计成本。因此,为了节约时间,根据经验,对高频电源变压器的铁损铜损比例、漏感与激磁电感比例、原边和副边绕组损耗比例、电流密度提供一些参考数据,对窗口填充程度,绕组导线和结构推荐一些方案,不要按步就班地来回进行推算和仿真。

设计原则是在具体的使用条件下完成具体的功能中追求性能价格比最好。检验设计的唯一标准是设计出的产品能否实应住市场. 高频电源变压器的设计要求 以设计原则为出发点,可以对高频电源变压器提出4项设计要求:使用条件,完成功能,提高效率,降低成本。

 

深度讲解开关电源高频变压器的设计原则与流程!

 

1 使用条件

使用条件包括两方面内容:可靠性和电磁兼容性。 可靠性是指在具体的使用条件下,高频电源变压器能正常工作到使用寿命为止。一般使用条件对高频电源变压器影响最大的是环境温度。有些软磁材料,居里点比较低,对温度敏感。例如:锰锌软磁铁氧体,居里点只有215℃,其磁通密度,磁导率和损耗都随温度发生变化,故除正常温度25℃外,还要给出60℃,80℃,100℃时的各种参考数据。

因此,将锰锌软磁铁氧体磁芯的工作温度限制在100℃以下,也就是环境温度为40℃时,温升只允许低于60℃,相当于A级绝缘材料温度。与锰锌软磁铁氧体磁芯相配套的电磁线和绝缘件,一般都采用E级和B级绝缘材料,采用H级绝缘的三重绝缘电磁线和聚酰胺薄膜,成本增加,是不是因为H级绝缘的高频电源变压器优化的设计方案,可以使体积减少1/2~1/3的缘故?本来体积就比较小的高频100kHz10VA高频电源变压器,如次级绕组采用三重绝缘线,能把体积减小1/2~1/3。

电磁兼容性是指高频电源变压器既不产生对外界的电磁干扰,又能承受外界的电磁干扰。电磁干扰包括音频噪声和高频噪声。高频电源变压器产生电磁干扰的主要原因之一是磁芯的磁致伸缩。磁致伸缩大的软磁材料,产生的电磁干扰大。例如,锰锌软磁铁氧体,磁致伸缩系数λS为21×10-6,是取向硅钢的7倍以上,是高磁导坡莫合金和非晶合金的20倍以上,是微晶纳米晶合金的10倍以上。因此锰锌软磁铁氧体磁芯产生的电磁干扰大。

高频电源变压器产生电磁干扰的主要原因还有磁芯之间的吸力和绕组导线之间的斥力。这些力的变化频率与高频电源变压器的工作频率一致。因此,工作频率为100kHz左右的高频电源变压器,没有特殊原因是不会产生20kHz以下音频噪声的。10W以下单片开关电源的音频噪声频率,约为10kHz~20kHz,一定有其原因。由高频电源变压器本身产生的可能性不大,没有必要采用玻璃珠胶合剂粘合磁芯。 屏蔽是防止电磁干扰,增加高频电源变压器电磁兼容性的好办法。但是为了阻止高频电源变压器的电磁干扰传播,在设计磁芯结构和设计绕组结构也应当采取相应的措施,只加外屏蔽带并不一定是最佳方案,因为它只能阻止辐射干扰,不能阻止传导干扰。

2 完成功能

高频电源变压器完成功能有3个:功率传送,电压变换和绝缘隔离。功率传送有两种方式。

第一种是变压器功率的传送方式,加在原绕组上的电压,在磁芯中产生磁通变化,使副绕组感应电压,从而使电功率从原边传送到副边。在功率传送过程中,磁芯又分为磁通单方向变化和双方向变化两种工作模式。单方向变化工作模式,磁通密度从最大值Bm变化到剩余磁通密度Br,或者从Br变化到Bm。磁通密度变化值ΔB=Bm-Br。为了提高ΔB,希望Bm大,Br小。双方向变化工作模式磁通度从+Bm变化到-Bm,或者从-Bm变化到+Bm。磁通密度变化值ΔB=2Bm,为了提高ΔB,希望Bm大,但不要求Br小,不论是单方向变化工作模式还是双方向变化工作模式,变压器功率传送方式都不直接与磁芯磁导率有关。

第二种是电感器功率传送方式,原绕组输入的电能,使磁芯激磁,变为磁能储存起来,然后通过去磁使副绕组感应电压,变成电能释放给负载。传送功率决定于电感磁芯储能,而储能又决定于原绕组的电感。电感与磁芯磁导率有关,磁导率高,电感量大,储能多,而不直接与磁通密度有关。虽然功率传送方式不同,要求的磁芯参数不一样,但是在高频电源变压器设计中,磁芯的材料和参数的选择仍然是设计的一个主要内容。电压变换通过原边和副边绕组匝数比来完成。不管功率传送是哪一种方式,原边和副边的电压变换比等于原绕组和副绕组匝数比,只要不改变匝数比,就不影响电压变换。但是,绕组匝数与高频电源变压器的漏感有关。漏感大小与原绕组匝数的平方成正比。“对于一符合绝缘及安全标准的高频变压器,其漏感量应为次级开路时初级电感量的1%~3%:“在很多技术单上,标注着漏感=1%的磁化电感或漏感<2%的磁化电感等类似的技术要求。电源设计者应当根据电路正常工作要求,对所能接受的漏感值作一个数值限制。

在制作变压器的过程中,应在不使变压器的其他参数(如匝间电容等)变差的情况下尽可能减小漏感值。就是尽可能减小漏感值。因为漏感值大,储存的能量也大,在电源开关过程中突然释放,会产生尖峰电压,增加开关器件承受的电压峰值,对绝缘不利,也产生附加损耗和电磁干扰。绝缘隔离通过原边和副边绕组的绝缘结构来完成。为了保证绕组之间的绝缘,必须增加两个绕组之间的距离,从而降低绕组间的耦合程度,使漏感增大。还有,原绕组一般为高压绕组,匝数不能太少,否则,匝间或者层间电压相差大,会引起局部短路。这样,匝数有下限,使漏感也有下限。总之,在高频电源变压器绝缘结构和总体结构设计中,要统筹考虑漏感和绝缘强度问题。

3 提高效率

提高效率是对电源和电子设备的普遍要求。提高高频电源变压器效率,可以节约电力。又具有环境保护的双重社会经济效益。因此,提高效率是高频电源变压器一个主要的设计要求,一般效率要提高到95%以上,损耗要减少到5%以下。高频电源变压器损耗包括磁芯损耗(铁损)和绕组损耗(铜损)。有人关心变压器的铁损和铜损的比例。这个比例是随变压器的工作频率发生变化的。

如果变压器的外加电压不变,工作频率越低,绕组匝数越多,铜损越大。因此在50Hz工频下,铜损远远超过铁损。例如:50Hz,100kVAS9型三相油浸式硅钢电力变压器,铜损为铁损的5倍左右。50Hz,100kVASH11型三相油浸式非晶合金电力变压器,铜损为铁损的20倍左右。随着工作频率升高,绕组匝数减少,虽然由于趋表效应和邻近效应存在而使绕组损耗增加,但是总的趋势是铜损随着工作频率升高而下降。而铁损包括磁滞损耗和涡流损耗,随着工作频率升高而迅速增大。

在某一段工作频率,有可能出现铜损和铁损相等的情况,超过这一段工作频率,铁损就大于铜损。造成铁损不等于铜损的原因.导线粗细的选择,虽然受趋表效应影响,但主要由高频电源变压器的传送功率来决定,与工作频率不存在直接关系。而且,选用非常细的漆包线作为绕组,反而会增加铜损,延缓铜损的下降趋势。说不定在设计选定的工作频率下,还有可能出现铜损等于铁损的情况。中小功率高频电源变压器的工作频率在100kHz左右,铁损已经大于铜损,而成为高频电源变压器损耗的主要部分。

正因为铁损是高频电源变压器损耗的主要部分,因此根据铁损选择磁芯材料是高频电源变压器设计的一个主要内容。铁损也成为评价软磁芯材料的一个主要参数。铁损与磁芯的工作磁通密度工作频率有关,在介绍软磁磁芯材料铁损时,必须说明在什么工作磁通密度下和在什么工作频率下损耗。用符号表示时,也必须标明PB/f〔式中工作磁通密度B的单位是T(特斯拉),工作频率f的单位是Hz(赫芝)〕。

例如,P0.5/400表示工作磁通密度为0.5T,工作频率为400Hz时的损耗。又例如,P0.1/100k表示工作磁通密度为0.1T,工作频率为100kHz时的损耗。铁损还与工作温度有关,在介绍软磁磁芯材料铁损时,必须指明它的工作温度,特别是软磁铁氧体材料,对温度变化比较敏感,在产品说明书中都要列出25℃至100℃的铁损。软磁材料的饱和磁通密度并不完全代表使用的工作磁通密度的上限,常常是铁损限制了工作磁通密度的上限。所以,在新的电源变压器用软磁铁氧体材料分类标准中,把允许的工作磁通密度和工作频率乘积B×f,作为材料的性能因子,并说明在性能因子条件下允许的损耗值。新的分类标准根据性能因子把软磁铁氧体材料分为PW1,PW2,PW3,PW4,PW5等5类,性能因子越高的,工作频率越高,极限频率也越高。

例如,PW3类软磁铁氧体材料,工作频率为100kHz,极限频率为300kHz,性能因子B×f为10000mT×kHz,即在100mT(0.1T)和100kHz下,100℃时损耗a级≤300kW/m(300mW/cm3),b级≤150kW/m3(150mW/cm3)。 在某一段工作频率下,高频电源变压器的绕组损耗(铜损)与铁损相接近时,例如,铜损/铁损=100%~25%范围内,铜损也不能忽视,也应当考虑采取措施来减少铜损。由于原绕组和副绕组承担的功率相近,往往在设计中取原绕组的铜损等于副绕组的铜损,以便简化设计计算过程,不能只强调依温升来设计高频电源变压器,由于热阻不容易准确确定,设计计算相当麻烦。因此,为了简化计算,有时根据经验预先推荐一些原则和数据是必要的。同样,为了简化计算,对不同工作频率,不同功率的高频电源变压器推荐不同的绕组电流密度,也是必要的,但不限于某一个电流密度值,例如,2A/mm2~3A/mm2。应当看到:实现高频电源变压器设计要求的方法并不限于一种,应当进行多种多样的探索.

4 降低成本

降低成本是高频电源变压器的一个主要设计要求,有时甚至是决定性的要求。高频电源变压器作为一种产品,和其他商品一样,都面临着市场竞争。竞争的内容包括性能和成本两个方面,缺一不可。不注意降低成本,往往会在竞争中被淘汰。高频电源变压器的成本包括材料成本,制造成本和管理成本。设计是高频电源变压器降低成本的主要手段。高频电源变压器所用的材料和零部件的贵*和数量的多少?是否方便采购?是否要备有多少库存量?磁芯,线圈和总体结构的加工和装配工艺复杂还是简单?需要人工占的比例多大(实现生产过程的机械化和自动化,可以减少人工工时,更能保证产品的一致性和质量)?是否需要工模具?质量控制中需要检测的工序和参数:哪些参数要在加工过程中检测?哪些参数要在出厂试验中检测(出厂试验的参数应选择能决定性能的关键参数,数量不要多,以便能即时判断产品质量。)?哪些参数要在型式试验中检测?要用什么检测仪器和设备,价格如何?等等,都是由设计来决定的。

因此,高频电源变压器的设计者除了要了解高频电源变压器的理论和设计方法而外,还要了解各种软磁材料和磁芯的性能和价格,各种电磁线的性能和价格,各种绝缘材料的性能和价格;还要了解磁芯加工热处理工艺,线圈绕制和绝缘处理工艺及变压器组装工艺;还要了解实现质量控制的检测参数和仪器设备;还要了解生产管理的基本知识以及高频电源变压器的市场动态等等。只有知识全面的设计者,才能设计出性能好,成本低的高频电源变压器产品。降低成本是促进高频电源变压器技术发展的一种推动力。

为什么轻、薄、短、小成为高频电源变压器的发展方向?原因之一是这样既能降低材料成本,又能降低制造成本。提高工作频率,可以使高频电源变压器的重量和体积下降。但是,要克服高频带来的负面影响,必须采用新的软磁材料和导电材料并增加抑制高频电磁干扰的措施,因此,对具体使用条件下的高频电源变压器究竟选用多高的工作频率?要在综合考虑性能和总体成本后决定。提高效率,降低损耗发生的热量,可以减少高频电源变压器散热的表面积,从而使体积和重量下降。但是,降低损耗必须采用新材料和新工艺。因此,对具体使用条件下的高频电源变压器究竟达到多高的效率?也要在综合考虑性能和总体成本后决定。


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