順向式變壓器設(shè)計(jì)原理

1、順向式變壓器設(shè)計(jì)原理(Forward Transformer Design Theory)第一節(jié). 概述. 順向式(Forward)轉(zhuǎn)換器又稱單端正激式或"buck"式轉(zhuǎn)換器.因其在原邊繞組接通電源VIN的同時(shí)繞組把能量傳遞到輸出端故而得名. Forward變換器中的變壓器是一個(gè)純粹的隔離變壓器. 因此,在副邊輸出端須附加儲(chǔ)能電感器L,用以儲(chǔ)存及傳送能量. Forward變壓器之轉(zhuǎn)換功率通常在50500W之間.其優(yōu)點(diǎn)有: 1. 正激式變壓器通常使用無氣隙的CORE,電感值L較高,原副邊繞組之峰值電流較小( =LI).因而銅損較小. 2. 開關(guān)管Tr的峰值電流較低.開關(guān)損耗小

2、. 3. 適用于低壓.大電流.功率較大的場(chǎng)合.第二節(jié). 工作原理 正激變換器的主回路如圖 1. 當(dāng)開關(guān)管Tr導(dǎo)通時(shí)原邊繞組Np有電流Ip流過.,因副邊繞組Ns與Np有相同的同銘端.故副邊繞組通過D2把能量傳遞到輸出端.當(dāng)Tr關(guān)斷時(shí)續(xù)流二極管D3導(dǎo)通釋放電感L中的能量給負(fù)載.在Tr ton時(shí),變壓器原邊電流Ip=Im+Iload.其中磁化電流Im是無法傳送到副邊的能量. 在Tr toff期間此磁能無法被泄放,磁化能量將引起較高的反壓加在Tr之C . E極間而損壞Tr.另一方面磁化能量的存在將使變壓器CORE趨于飽和, 產(chǎn)生很大的集電極電流Ic, 使Tr損壞.為解決上述問題,通常在變壓器中設(shè)置一消

3、磁繞組NR, 將磁化能量反饋到電源輸入端. 當(dāng)Tr ton時(shí),儲(chǔ)能電感L內(nèi)的電流將直線增加,如下式所示: diL / dt=Vs-Vo / L 而Tr集電極電流Ic=Ip可用下式表示: Ic = Ip= Iload+Im = IL / n+(TS* Dmax*VIN) / L 式中 n: 初級(jí)與次級(jí)之匝數(shù)比(Np/Ns) IL: 輸出電感電流,即輸出負(fù)載電流.(A) Im: 磁化電流.(A) Ts: 工作周期. Ts=1/fs (s) Dmax: 最大導(dǎo)通占空比 (Dmax = ton/Ts) L: 輸出電感器之電感值 (uH) VIN: 輸入直流電壓 (V) 變壓器磁化電流可由下式求得: I

4、m = VIN*ton / Lm = VIN*TS*Dmax / Lm 因?yàn)?Vout = Dmax*VIN / n ( U=e=N*d/dt= N*Ae dB / dt=d/dt=Ldi/dt) 而 VIN = n*Vout / Dmax 所以 Im = 0t VIN*dt / L = n*TS*Vout / Lm 則Ic之關(guān)系式可改寫為: Ic= Ip = IL / n+n*Ts*Vout / Lm 若忽略磁化電流部分,原邊峰值電流Ic為: Ic = Ip = IL / n = 2Pout / (*VIN*Dmax) 式中 IL=Io :負(fù)截電流 (A) ; Pout: 輸出功率 Pout

5、=Vo*Io (W) 設(shè)= 80%. Dmax=0.4. 則 Ic = 6.2Pout / VIN 當(dāng)Tr導(dǎo)通時(shí)間結(jié)束時(shí),副邊峰值電流 Is 為: Is = IL+ton*(Vs-Vo+Vf) / 2L Vf: 二極管正向壓降. 在能量轉(zhuǎn)換過程中,次級(jí)電流對(duì)磁芯起去磁作用,初級(jí)電流僅有很小一部分用來磁化磁芯.依據(jù)變壓器原理,次級(jí)在初級(jí)有反射電流I's. I's = Ns*Is / Np = Is / n 則 Np* I's= -Ns*Is 如果激磁電感Lm為常數(shù),激磁電流Im線性增長,并等于原邊電流與反射電流之差: Im = VIN*ton / Lm = Ip-I

6、9;s = (Ip-Is*Ns) / Np 磁化電流在導(dǎo)通時(shí)間結(jié)束時(shí)達(dá)到最大,當(dāng)Tr toff時(shí),副邊感應(yīng)電勢(shì)反向,二級(jí)體D2截止.Is=0, ton期間存儲(chǔ)在磁場(chǎng)中的激磁能量ER=(LI2m / 2)在toff時(shí)應(yīng)有釋放通路,且須保持與儲(chǔ)能時(shí)間相同.因?yàn)楫?dāng)正.負(fù)伏秒值相同時(shí)Im方才等于零,如此,復(fù)位時(shí)間tr為 tr VIN*ton / ER NR*ton / Np式中NR為消磁繞組圈數(shù). 因?yàn)?NR=Np. 則 trton, 所以Dmax需低于50% 第三節(jié). Forward 變壓器設(shè)計(jì)方法. 一. Forward Transfotmer 設(shè)計(jì)時(shí)之考慮因素: 1. 鐵芯飽和問題.選用飽和磁通

7、密度Bs盡量高,剩余磁通Br盡量低的CORE,使其能承受大的磁場(chǎng)也就是大的電流,實(shí)現(xiàn)小體積大功率. 2. 電壓的準(zhǔn)位性.在多路輸出變壓器中,各繞組的伏特秒盡量保證一致,各繞組之電流密度應(yīng)保持一致,使損耗有相同值. 3. 傳輸功率.應(yīng)考量在額定輸出功率下應(yīng)留有一定余量,通常功率余量不應(yīng)小于10%. 4. 電流容量.有足夠的電流容量,以減小耗損. 5. 工作頻率.將決定CORE的B和導(dǎo)線直徑. 6. 磁化電流Im .應(yīng)使磁化電流盡可能低,激磁電感盡量大.所以需用高磁導(dǎo)率的CORE. 7. 損耗P . (P=Pfe+Pcu) a. 銅損Pcu包括低頻損耗和高頻損耗,低頻損耗很容易計(jì)算,也比較容易解決

8、,通過增大導(dǎo)體截面積減小RDC即可降低損耗.線圈的高頻損耗因涉及渦流損耗.趨膚效應(yīng),鄰近效應(yīng)等問題很難精確確定. Pcu=I2rms*RHF (RHF: 高頻時(shí)導(dǎo)體的有效阻抗) 從上式可見有效電流Irms正比于Pcu,而Irms=IppD.即Pcu正比于D,反比于VIN .在VIN最低時(shí)Pcu最大. b. 鐵損PFe 又包括磁滯損和渦流損.磁滯損正比于頻率和磁感應(yīng)擺幅B.渦流損與每匝伏特?cái)?shù)和占空度D有關(guān),而與頻率無關(guān).VIN=Np d / dt 即 VIN/Np=d/dt .可見渦流損耗與磁通變化率成正比. 8. 溫升. 變壓器損耗使得線圈與磁芯溫度升高,溫升又使損耗盡一步增加,.如此惡性循環(huán)

9、將導(dǎo)致變壓器損壞.因此,設(shè)計(jì)時(shí)必須限制溫升在一個(gè)可接受的范圍.變壓器溫升循環(huán)圖如圖 2. 溫升對(duì)CORE之功率損失特性圖參照各廠商之DATA BOOK. 9. 漏電感.在實(shí)際變壓器中.因磁通的不完全耦合而產(chǎn)生漏磁通.轉(zhuǎn)換成漏電感形式存在變壓器中,漏電感Lk之關(guān)系式LK= uo*ur*A*N2 /*10-2 上式中: LK:漏電感 :銅窗之排線寬度(cm) A: 兩繞組間之剖面積(cm) ur=1相對(duì)磁導(dǎo)率. uo= 4*10-7 N: 匝數(shù) 因漏感是一個(gè)限制電流Ip通過的阻抗.所以它將影響變壓器的電壓準(zhǔn)位特性.同時(shí)漏電感所存能量在Tr off時(shí)將釋放,產(chǎn)生尖峰電壓,造成組件損壞和電磁干擾,采用

10、吸收電路后將使效率降低,因此在設(shè)計(jì)變壓器時(shí),應(yīng)于CORE選擇.繞組結(jié)構(gòu),工藝工法上設(shè)法減小漏感. 10. 分布電容.或稱雜散電容.分布電容的存在在電源轉(zhuǎn)換過程中,會(huì)傳輸繞組間的共模噪聲,增加原副邊的漏電流.在通信變壓器中,雜散電容影響信號(hào)的頻率響應(yīng).高頻變壓器中的雜散電容包括a. CW to CORE. b. CW to W. c. CLaye to Laye d. C匝間等. 因降低雜散電容與減小漏感相互矛盾.故設(shè)計(jì)時(shí)須根據(jù)用途權(quán)衡利弊做取舍.溫度升高T=23.5P/AP or t=Rth*PBmax下降Bm =Bs - Br下降=B/HLm下降Lm=KN2Im上升Im=(VIN*ton)/

11、LmIp上升Ip=Im+ILoadB上升,鐵損上升 I2R增大,Pcu上升B=H=*(0.4NI)/Le特性評(píng)估P=Pcu+Pfe至CORE達(dá)溫升太高而飽和圖 2. 變壓器溫升循環(huán)圖二. 變壓器設(shè)計(jì)流程:決定CORE材質(zhì)高Bs, 低損耗, 低成本決定CORE規(guī)格AP = PS * 104 / (2B f J Ku)設(shè)計(jì)圈數(shù)比n = VIN Dmax / (Vo +Vf)初次級(jí)圈數(shù)設(shè)計(jì)Np = VIN ton / (B Ae) ; Ns = Np / n計(jì)算線徑dw = (4Aw/)溫升計(jì)算t = 23.5P / AP決定繞線結(jié)構(gòu)綜合考慮LK, C分布, 易制性.特性評(píng)估效率,頻寬,電壓準(zhǔn)位.E

12、MI.第四節(jié). Forward Transformer設(shè)計(jì)實(shí)例. 一. 設(shè)計(jì)步驟:step0 SPEC: VIN fs Vo Io D t Po限制.step1 選擇core材質(zhì).決定B. step2 計(jì)算core之AP值,確定core型號(hào)規(guī)格. step3 計(jì)算Np Ns.step4 計(jì)算線徑dw, 估算銅窗占有率.step5 估算損耗. 溫升. step6 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).step7 樣品制作.step8 性能評(píng)估(DQ)三 .設(shè)計(jì)舉例: Step0 取得相關(guān)規(guī)格(SPEC) 例: 155W PC Power MAIN X'FMR SPEC: INPUT: AC 180265V 50HZ

13、 OUTPUT: DC +5V-15A100W MAX TOALT 155W +3.3V-12A +12V-4.2A 68%, fs: 100KHZ; 電路接線圖如圖 3. 風(fēng)冷散熱. Step1 選擇core材質(zhì).決定B. 功率變壓器所用功率鐵芯應(yīng)選擇高i.低損. 高Bs材料.目前因軟磁鐵氧體具備以上要求而被得以 廣泛應(yīng)用.在此選用TDK之 PC40 材質(zhì).其相關(guān)參數(shù): Pcv: 410 kw/m3 100KHZ 正弦波i : 2300±25% Bs : 390mT Br : 55mT 100 因Forward電路之磁芯為單向磁化,要使core不飽和,磁芯中磁通密度最大變化量為:B

14、Bs-Br.故PC40材之B=390-55=335mT.但實(shí)際應(yīng)用中由于有高溫效應(yīng),瞬變情況等引起B(yǎng)s, Br的變化,使B動(dòng)態(tài)范圍變小而出現(xiàn)飽和,因此,設(shè)計(jì)時(shí)必須留一些安全空間,通常選擇75%(Bs-Br),用以限制飽和,此方法可使Pfe略小于Pcu. B選得過小會(huì)使匝數(shù)增加,Pcu增大,產(chǎn)品體積變大,但B選得過高,則Pfe將增加.且易飽 和.PC40材最高可取B=300MT. 此時(shí)Pfe稍高,可調(diào)節(jié)電路導(dǎo)通比ton/Ts (D)來解決鐵損問題. 本例選擇75%Bm: B=(390-55)*0.75251mT0.25T.Step2 確定core AP值.決定core規(guī)格型號(hào). AP=AW*Ae

15、=(Ps*104)/(2B*fs*J*Ku) 式中 AW: core之銅窗面積. ( cm2) Ae: core有效截面積 . ( cm2) Ps : 變壓器傳遞視在功率 ( W ) Ps=Po/+Po (正激式) B: 磁感應(yīng)增量 ( T ) fs : 變壓器工作頻率 ( HZ ) J : 電流密度 ( A ) .根據(jù)散熱方式不同可取300600 A/cm2 Ku: 銅窗占用系數(shù). 取0.2. 本例選擇: B=0.25T fs=100*103 HZ J=400A/cm2 AP=(155÷0.68+155)*104/(2*0.25*100*103*400*0.2)=0.96cm4 上

16、式中之銅窗占有系數(shù)Ku是以0.4AW可用,且原副邊繞組各占用50%而定的.若副邊繞組數(shù)過多或 占用率超過可用空間的一半時(shí),可適當(dāng)調(diào)大AP值選擇CORE規(guī)格. 查閱TDK DATA BOOK.選用CORE ERL28 PC40其參數(shù)為: AP=1.20 cm4 Ae=81.4 mm2 Aw=148mm2 Ve=6143mm3 AL=2520±25% Pt=228W Step3 計(jì)算Np Ns. (1). 計(jì)算匝比 n = Np / Ns 設(shè) Dmax = 0.35 n = Np / Ns = Vi / Vo = Vin(min)*Dmax / (Vo+Vf)式中VIN(min)=180

17、*0.9*2-20=209 VDC Vf :二極管正向壓降 n=(209*0.35)/(5+1)=12.19 12CHECK Dmax Dmax=n(Vo+Vf)/Vin(min)=12(5+1)/209=0.3440.34 (2). 計(jì)算Np Np=Vin(min)*ton/(B*Ae) = 209*0.34*(1/100*103) /( 0.25*81.4)=34.9 35TS ton=Dmax* Ts (us) Ae：有效截面積 (mm2) Ts=1 / fs (us) (3). 計(jì)算Ns5v Ns = Np / n = 35÷12 = 2.92 取整為TS (4). CHEC

18、K Np （以Ns驗(yàn)算Np） Np = Ns*n = 3*12 = 36TS 取 Np = 36TS 從電路原理圖可知,本例之3.3V與5V使用同一副邊繞組. +3.3V另加磁放大器調(diào)整故不再計(jì) 算Ns3.3. (5).計(jì)算Ns12V Ns12V=(Vo+Vf)*Np*Ts/Vin(min)*ton=(12+1)*36*10/209*3.4=6.59 7TS (6).確定NR NR = Np = 36TS 通過本步序Np Ns已全部確定須再CHECK B之選擇合理性.Np=36TS NR=36TS Ns5=3TS Ns12=7TSB=Vin(min)*Dmax*Ts / (Np*Ae) = (

19、209*304*10)/36*81.4=0.24TB+BrBs 0.24 + 0.055 = 0.295 0.39 OKStep4 計(jì)算線徑dw (1). 求初級(jí)線徑dwp Ip = Pi / VL = Po / (*Dmax*VIN) =155/(0.68*0.34*209) = 3.21A Iprms= Ip*D = 3.21*0.34 = 1.87A Awp = I/J = 1.87/5 = 0.374mm2 dwp=(4Awp/)(4*0.374/3.14)= 0.69mm 0.7mm or0.45*2 (2). 求NR繞組線徑dwR. NR = 36TS L = N2*AL L =

20、362*2520*0.75 = 2.4mH Im = VIN*ton / L = (209*3.4) / (2.4*103) 0.3A AWN = 0.3 / 5 = 0.06mm2 dwN=(4*0.06/3.14) = 0.276mm 0.28mm (3). 求繞組Ns5之線徑dws5 Aws5 = I / J 因+3.3V 與5V為同一繞組, 功率限制為100W.故可近似求得Io=100/5=20A Isrms=20*0.34=11.7A Aws5= 11.7 / 5 = 2.34mm2 此導(dǎo)體截面積較大,不適合圓銅線繞制,采用銅片.查ERL28 BOBBIN幅寬22.3mm±

21、0.3mm.考量 扣除擋墻約4mm,則有22 - 4=18mm之可繞寬度,預(yù)留適當(dāng)空間(1mm) 則: 2.34mm2 ÷ 17mm = 0.14mm 選擇：6mils*17mm之copper foil. (4). 求繞組Ns12之線徑dws12 Irms = Io*Dmax = 4.2*0.34 = 2.45A Aws12 = 2.45 ÷ 5 = 0.49mm2 dws12 = (4*0.49 / 3.14) = 0.79mm 0.80mm 考量fs100KHZ . 頻率較高.估算趨膚效應(yīng)時(shí)之電流穿透深度 66.1/f=66.1÷100000=0.209mm

22、此為20之穿透深度100約為0.25mm 則可調(diào)整dws12 = 4*0.4mm.Step5 估算溫升,損耗.(1). 銅損Pcu Pcu=I2R Pcu = 2I2prms*Np*lp*X 式中. Iprms 原邊有效電流(A) Np 初級(jí)匝數(shù)lp 線圈平均匝長(cm) ERL28 之lp=4.88 X 100時(shí)之銅阻/cm上式是以2倍原邊銅損為估算基準(zhǔn),求得之Pcu Pcu = 2*1.412*36*4.88*0.00066 = 0.46W (2). 鐵芯損耗Pfe Pfe=PV*Pe PV:單位體積損耗W/cm3 Ve: core體積cm3 PV可從供貨商之DATA BOOK查得,查TDK DATA BOOK可知當(dāng)B=0.24T fs=100KHZ 時(shí)PV0.41W/cm, 則 Pfe = Pv *Ve = 0.41*6.143 =