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信平电子变压器:采用平面型变压器抑制高频变压器中的漏感和温升

2018-10-08 09:48:50 德州信平电子有限公司 阅读

1.引言

漏感和温升是高频变压器规划中两个非常重要的问题。漏感过高将使开关管的应力增大,而且对占空比也会发生不良影响。而过度的温升不但会加重磁芯损耗,而且将束缚开关转换器开关频率的进一步前进。选用平面型变压器可以有用克制高频变压器中的漏感和温升。

2.漏感

2.1 漏感及其克制

储存在电感中的能量可以用下式表明:

信平电子变压器:采用平面型变压器抑制高频变压器中的漏感和温升


由于电感中的能量不能骤变,因此当功率变压器中的电流换向时,将在电感中发生反向感应电势。储存在漏感中的能量将会引发功率开关管的过度瞬变,这将加重吸收电路的担负。而开关管和吸

收电路上的过度损耗将导致转换器功率下降,并将构成温升的急剧升高。在某些情况下,还将引发其他问题,比如驱动问题。

电感中电流恢复时间也称为死区时间,死区时间的长短影响到最大占空比。输出滤波电感中的电流将继续跌落,直到次级绕组电流完全恢复后才华从头建立并完结换向。假设漏感过大,这一瞬态进程的时间将相对延伸。

漏感的大小与漏磁通有关,并与绕组匝数的平方成正比。前进绕组的耦合程度或减少绕组匝数都可以使漏感下降,其间绕组匝数对漏感大小的影响非常显着。例如4匝绕组发生的漏感只需6匝绕组的六分之一。关于传统变压器,由于绕组匝数不可能无束缚的减少,因此单纯依托减少绕组匝数的来下降漏感的方法是不现实的。虽然增强变压器绕组间的耦合度也可以下降漏感,但又不得不面临绕组间的绝缘问题。折衷的方法是选用绕组交织绕制的方法,但是这样做将增加绕组间的寄生电容,而且绕组间的绝缘程度也相对下降,因此这也不是一个非常有用的方法。

2.2 平面型变压器的漏感

平面型变压器的匝比由初级匝数和组件数量一起抉择。组件数量多构成的漏感量也较大,但是由于漏感的大小与绕组匝数的平方成正比,因此控制组件的数量对漏感的影响就非常显着了。例如,一个由四个组件构成的4匝平面型变压器的漏感仅为16匝传统变压器的50%,而其电流容量却高出了3倍。

平面型变压器中不存在气隙,有用去除了磁芯边沿磁通和杂散磁通的影响。其次级绕组由金属薄片组成,并固定在磁芯内侧。因此次级绕组严密环绕在初级绕组四周,几乎不会发生漏磁。测量变压器漏感的方法有多种,最常用的方法是在次级绕组短接的条件下测量初级绕组的电感量。但是在功率转换电路中,漏感的大小可以通过di/dt来预算。假设电压已知,那么漏感的大小可以通过下式核算得到:

信平电子变压器:采用平面型变压器抑制高频变压器中的漏感和温升


选用这种方法预算出来的电感量偏大,这首要是由变压器的外接电路构成的,尤其是次级整流电路的影响。

由于平面型变压器的漏感非常小,因此整个电路的漏感将首要由外接绕组抉择。因此对外接绕组和外接电路的优化规划是非常重要的。平面型变压器对高频特性进行了优化,一切的要害电路都包含在组件中,极大的下降了规划难度。为了最大极限的减小漏感,平面型变压器须直接与TO-247封装的整流二极管相连,否则将导致缺点的发生。

3.温升

3.1 影响温升的要素

功率变压器中的温升问题是变压器规划中最难驾驭的问题之一。从温度控制原理可知,温升与功率成正比。而在变压器中,影响温升的首要要素则是磁芯损耗和绕组损耗。磁芯损耗和绕组损耗是相对独立的,磁芯损耗与磁芯的体积、磁通密度以及频率有关,而绕组损耗则与绕组电流和阻抗有关。变压器的规划有必要对其作业点进行优化,盲目的套用各种公式进行规划是因小失大的,往往构成转换功率的下降,尤其是在高频领域。

对温升发生影响的另一个要素是导热功用。假设散热器足够大,温升将坚持在必定的水平。散热面积越大,变压器的厚度越小,变压器的导热功用也越好。假设可以将热负载均匀分布在一较大的空间内,一起增加并联通道,热功用将得到很大的进步。热负载松散后,所需散热器的体积也会相应下降。

材料的热特性对温升的影响也非常显着,例如铁氧体和塑料绝缘材料的导热性分别仅为铜的百分之一和千分之一。

3.2 克制温升的方法

克制变压器温升首先要考虑怎样下降损耗,但这是一个比较扎手的问题。

(1)克制绕组损耗

在高频变压器中有必要要考虑交流阻抗的影响,与直流或低频情况下不同,在高频条件下,绕组中将存在趋肤效应和挨近效应,因此线径越粗,其交流阻抗也越大。这时最好选用扁平绕组,但是绕组有必要要与磁通方向平行,而且层数也不能太多,否则将引起涡流损耗。留心,扁平绕组必定要远离气隙,否则将遭到边沿磁通的影响。挨近效应对多层扁平绕组的影响非常显着,构成的损耗将是正常水平下损耗的近百倍。在这种情况下,选用Litz线的作用也不大。由于Litz线绕制起来比较困难,而且绕组因数很低。假设运用不妥,将会导致损耗的显着上升。

变压器外部的绕组不但会增加寄生阻抗和损耗,而且还发生EMI。因此尽量将绕组安排在磁芯内部。

(2)克制磁芯损耗

磁芯损耗往往通过查表得出。留心,损耗跟着磁通密度增加而敏捷上升。虽然理论上可以通过下降磁通密度的方法来下降损耗,但这是与使变压器坚持高功率相敌对的。在磁通给定的条件下,下降损耗的仅有方法只能是增大磁芯有用截面积,但这将增大磁芯的体积。由于体积增大,磁芯的厚度也相应增加,磁芯的热阻将增大,最终会构成磁芯温度的上升。

与低频变压器相同,高频变压器中丰满磁通密度也是影响磁芯体积的抉择性要素。变压器的最优规划应当具有最大的作业磁通密度、最小的磁芯体积和最大的磁芯有用截面积,而且作业功率最高,漏感最小、损耗和温升最低。

3.3 平面型变压器的热特性

平面型变压器的根本组件是带有矩形通孔的矩形磁芯,如图1所示。组件一般成对运用,如图1(c)所示。一对磁芯组件构成单匝推挽绕组,有时也称为2匝中心抽头绕组。

信平电子变压器:采用平面型变压器抑制高频变压器中的漏感和温升


从图中可以看出,平面型变压器磁芯组件是不带气隙的,因此不存在边沿磁通,而且磁阻最小。绕组扁而宽,而且与磁通途径平行,其有用截面积很大。

实际使用傍边,平面型磁芯一般是以模块方法出现,内部配有滤波电感,整流管、滤波电容也可以集成模块内部,模块的数量抉择了初级绕组的匝数。图2所示为一个匝比为10:1的降压式平面型变压器。该变压器由5只模块组成,其匝比等于模块数与初级匝数的乘积,即5×2=10。在大多数使用中,平面型变压器在作业进程中并不需求散热器,但是由于整流二极管需求散热,因此最好将磁芯和整流二极管都一起固定在散热器上。散热器可以作为次级电路的正极,汇流条可以作为次级电路的负极。功率MOSFET则固定在磁芯的外侧。

匝数的减少可有用下降挨近效应的影响。由于初级绕组位于次级绕组内部,因此耦合度很高。初级绕组到次级绕组之间的传热途径非常短,关于下降绕组的温升作用很大。

信平电子变压器:采用平面型变压器抑制高频变压器中的漏感和温升


4.小结

平面型变压器技能为高频变压器漏感和温升问题的处理供给了抱负的处理计划。由于平面型变压器对磁芯和绕组进行了优化处理,并选用了模块方法,极大的前进了高频转换器中变压器规划的灵活性,规划难度大大下降。与相同功率的传统变压器比较,平面型变压器的温升非常低,相应散热器的标准也大为减小。而且,平面型变压器的漏感很低,不但下降了开关管的应力和损耗,而且简化了吸收电路的规划。


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