開關(guān)電源高頻變壓器設(shè)計(jì)

開關(guān)電源高頻變壓器的設(shè)計(jì)磁性元件基礎(chǔ)主變壓器設(shè)計(jì)相關(guān)參量主變壓器設(shè)計(jì)舉例常見材料開關(guān)式磁性元件中的功率損耗很大，且有時(shí)難以預(yù)測(cè)。可以將它們分解為三維場(chǎng)的問(wèn)題進(jìn)行分析。繞組損耗通常比磁芯損耗更麻煩。趨膚效應(yīng)——高頻電流聚集在導(dǎo)體表面——是眾所周知的，但這并不是最嚴(yán)重的問(wèn)題。鄰近效應(yīng)——由于鄰近的導(dǎo)體所感生的場(chǎng)而引起——更為顯著，并且更難預(yù)測(cè)。使用正弦波的早期研究不足以解釋開關(guān)式電源中典型的波形損耗。在高頻磁性元件設(shè)計(jì)中，掌握基本原理是很必要的。高頻磁性元件的繞組損耗EDDYCURRENT渦流●趨膚效應(yīng)是由導(dǎo)體中的電流在該導(dǎo)體內(nèi)部感生的渦流造成的。●鄰近效應(yīng)是由相鄰導(dǎo)體中的電流在這個(gè)導(dǎo)體中感生的渦流造成的。EDDYCURRENT渦流SKINEFFECT趨膚效應(yīng)PROXIMITYEFFECT鄰近效應(yīng)渦流示意圖上部線圈的場(chǎng)感生了下部導(dǎo)體中的電流。渦流示意圖(續(xù))●電流根據(jù)右手法則產(chǎn)生磁場(chǎng)（虛線表示磁通）●磁通引起渦流，類似于變壓器中的次級(jí)電流。例如：在100kHz下，趨膚深度為0.2。銅的趨膚深度

Rac/Rdc與直徑的關(guān)系例如：如果直徑為7倍的趨膚深度，Rac=2Rdc。鄰近效應(yīng)

(注意反向電流)在100kHz并帶有矩形波（諧波含量豐富）的情況下，鄰近效應(yīng)遠(yuǎn)比趨膚效應(yīng)重要。鄰近效應(yīng)

(多條平行導(dǎo)線)當(dāng)變壓器和電感中使用平行銅導(dǎo)線時(shí)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。MagneticMotiveForce(MMF)磁動(dòng)勢(shì)渦流損耗和場(chǎng)中存儲(chǔ)的能量與|H|2成正比。要合理設(shè)計(jì)高頻繞組，你必須知道場(chǎng)強(qiáng)（H）為多少。

MMF圖是確定繞組中的H的有用工具。F=NI=Hle

MMF圖是一個(gè)很有用的工具，有助于安排繞組結(jié)構(gòu)，減少損耗和漏感，因?yàn)樗軌蛑庇^地顯現(xiàn)不同繞組安排在一個(gè)繞組結(jié)構(gòu)的場(chǎng)中的效果。單層線圈的MMF圖H=NI/le0E-ECore

E-E磁芯

H從外部的0上升至內(nèi)部的NI/le，再降回外部的0。帶有4層繞組的MMF圖4I3I2II0

H在每層中增加，在線圈內(nèi)部保持4I，然后逐層遞減，在外部回到0。注意:

功率損耗與H2成正比！主變壓器的設(shè)計(jì)最重要的是：確定輸入電壓的范圍。在APFC輸入電源中，APFC輸出電壓最大值通常為400V。變壓器的最小輸入電壓通常取決于需要多大的保持時(shí)間

——即斷開輸入電源后電源能夠持續(xù)工作的時(shí)間。對(duì)于交流輸入電源，無(wú)論有或沒有PFC，在變換器的輸入端都有一個(gè)儲(chǔ)能電容器。對(duì)于保持特性的設(shè)計(jì)需要選擇電容值以及變換器的工作電壓范圍。變換器的工作電壓范圍決定了變壓器的設(shè)計(jì)。保持時(shí)間與母線電壓的關(guān)系

對(duì)于直流母線電壓衰減至初始值的一個(gè)給定比例所能達(dá)到的保持時(shí)間為多長(zhǎng)？設(shè)從母線儲(chǔ)能電容器中吸取的能量為W，則：注意:當(dāng)能量的一半被吸取出來(lái)，則電壓衰減至初始值的70.7%。額定功率與母線電壓的關(guān)系

這是母線電壓衰減至定額功率負(fù)載時(shí)的情況。橫軸的尺度并不重要，但要注意，當(dāng)電壓降低至50％以下，向下的斜率則更大。

這表明了將最終電壓選為低于50％的值不理想。

允許較低的最終電壓會(huì)使正常的工作占空比降低，從而輸出二極管上的峰值電壓也會(huì)變得較高。選擇取決于可用的電容值和二極管耐電壓。不要忘了電容的公差（通常為－20％至＋20％）。

假設(shè)輸入有APFC,選擇400V作為額定母線電壓。設(shè)計(jì)舉例

采用450V的母線儲(chǔ)能濾波電容器，500V的FET用于雙晶體管正激、半橋或全橋變換器，或900V到1000V的FET用于單端正激變換器中。

最終電壓設(shè)計(jì)為60％（240V直流）。給定最大占空比為45％，額定占空比為27％。

這樣得到的最小電容值為輸出功率變換器中每瓦特輸出功率0.4uF，保持時(shí)間為20ms。儲(chǔ)能電容的詳細(xì)計(jì)算

C＝0.4uF/瓦特到最后的功率級(jí)(忽略效率)答案是……主變壓器的設(shè)計(jì)

高頻變壓器的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。磁芯損耗通常不能忽略。繞組損耗往往很嚴(yán)重。通常，變壓器中的繞組損耗比電感中的更難處理，因?yàn)槔@組電流中的高頻分量比電流的平均值大。高頻繞組損耗與繞組結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系。層數(shù)、導(dǎo)線尺寸、交錯(cuò)技術(shù)都很重要的，一些折衷選擇往往。面積乘積(Aw?Ae)

磁芯尺寸取決于處理的功率，這是有道理的，因?yàn)椋捍翱诿娣e與電流成正比。磁芯面積與電壓成正比。因此可以推出Aw·Ae=V·I=功率

為簡(jiǎn)便起見，我們沒有提及頻率。磁芯面積與磁通成正比：Φ=B·S=V·t=V/f因此，AP=(V·I)/f。在較高的頻率下，給定的磁芯尺寸能夠處理更大的功率。

但并非這么簡(jiǎn)單。磁芯面積與磁通成正比：Φ=B·S=V·t=V/f在給定的溫升下，電流密度與尺寸有關(guān)。鄰近效應(yīng)和趨膚效應(yīng)在較高頻率引起較大的導(dǎo)線損耗。面積乘積的詳細(xì)描述

在低頻（20kHz

及以下）時(shí)，我們可以使用簡(jiǎn)單的飽和限制AP，因?yàn)槲覀兛梢允勾磐芏葦[動(dòng)到Bmax，而不會(huì)導(dǎo)致過(guò)高的磁芯損耗。

在較高的頻率（100kHz

及以上）時(shí)，我們必須根據(jù)容許的磁芯（由容許溫升得出）損耗來(lái)選擇Bmax。

無(wú)論是低頻和高頻的情況下，我們都要使用電流密度J，其值與尺寸有關(guān)（考慮到熱因素）。如果你能選擇J的話,這樣的設(shè)計(jì)是可行的。J（電流密度）根據(jù)期望的溫升和結(jié)構(gòu)的尺寸而變化。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)溫升在自然對(duì)流冷卻時(shí)為30oC時(shí)，J30=420AP-0.24A/cm2

例如，如果AP＝1，J的取值為420A/cm2。如果AP=2，J=356。將這個(gè)與尺寸有關(guān)的J代入AP的表達(dá)式，得到飽和限制面積乘積當(dāng)磁通的擺動(dòng)受到磁芯損耗的限制時(shí)，以ΔBmax代替BMAX

，而以ΔImax

代替Imax

。磁芯損耗限制面積乘積根據(jù)之前的討論，最終電壓設(shè)計(jì)為60％（240V直流）。給定最大占空比為45％，額定占空比為27％（400V直流母線）。3.3V輸出中的占空比約為3.3/5。5V,10A3.3V,5AMagAmpReset12V,3A-+++--PWMControl+Bus+BusReturnPowerStageOutputCircuitsX’FMRTransformerRequirementsVinrange

240–400VdcOutput1

5V,10A

Output2 3.3V,5A

Output3 12V,3A

Frequency

100kHz

Max.temp.rise

40oC

Cooling

Naturalconvection

Dutyratio

27%to45%基本規(guī)格假設(shè)5V的整流器是肖特基型，具有.4V的壓降。假設(shè)12V的整流器具有.8V的壓降。這些是大致的假設(shè)，但包括了IR壓降。這樣輸出電壓應(yīng)為5.4V和12.8V。我們?cè)诿}沖期間和周期的其余時(shí)間都損失了二極管壓降，所以只要把二極管壓降加到輸出電壓上即可。輸出繞組間的匝數(shù)比：12.8/5.4=2.37。使用2匝和5匝？12V的輸出就是5/2x5.4–0.8=12.7V。如果是3匝和7匝，則為11.8V。如果磁通密度合理，則選用2匝和5匝。5V次級(jí)上的峰值電壓是5.4V/(d=.27)=20V。輸出電壓和匝數(shù)比根據(jù)制造商的推薦，基于功率和頻率，或根據(jù)面積乘積選擇磁芯尺寸。其中正激變換器的K=0.014針對(duì)100mW/cm3

的磁芯損耗選擇DB（DB

是磁芯損耗曲線上B的兩倍）。以上公式基于電流密度（J）為420A/cm2

，窗口利用率為40％的銅。對(duì)于磁性材料P，B=0.12TDB=0.24T在120W,100kHz下：AP=0.253cm4T選擇PQ2620磁芯（面積約26mm2

；20mm高）磁芯選擇列出你的公司使用的標(biāo)準(zhǔn)磁芯，以及你在設(shè)計(jì)中要用到的參數(shù)。在此Excel電子表格中，可以根據(jù)需要，按AP、底面積、高度排序。速查表PQ2620磁芯的熱阻為24oC/W(根據(jù)斜率計(jì)算,60oC/2.5W=24oC/W）。確定磁芯的熱阻確定允許功耗和Plim=oCrise/RT=40/24=1.63watts平均分配磁芯損耗和導(dǎo)線損耗：Pcore=0.8Wmax.Pwire=0.8Wmax.磁芯體積為5.5cm3因此磁芯材料損耗為145mW/cm3

。這對(duì)應(yīng)于在磁性材料P中0.13T的磁通密度。磁通密度取決于每匝的伏特·秒，所以對(duì)于任何繞組都可以計(jì)算。使用初級(jí)，這對(duì)應(yīng)于預(yù)計(jì)0.8W的磁芯損耗。增加或減少匝數(shù)只會(huì)分別引起磁芯損耗減少或增加。材料“P”在100kHz下?lián)p耗與B2.86成正比。匝數(shù)減少5%會(huì)使損耗增加15%。我們先前的計(jì)算得到初級(jí)為40匝，將減少磁芯損耗。計(jì)算匝數(shù)磁芯損耗確認(rèn)根據(jù)計(jì)算,取Np=40圈,則實(shí)際使用到的DeltaB為:對(duì)應(yīng)的損耗為90mW/cm3

,磁芯損耗為0.09x5.5=0.495w此損耗小于預(yù)算的0.8w,滿足設(shè)計(jì)要求調(diào)節(jié)次級(jí)的匝數(shù)，以達(dá)到期望的輸出電壓（5V和12V）。調(diào)整初級(jí)的匝數(shù)，以優(yōu)化層結(jié)構(gòu)。在兩種情況下都要調(diào)整導(dǎo)線的規(guī)格和形狀，以減少不完整的層，充分利用可用的空間。這可能是變壓器設(shè)計(jì)中最有趣和最具創(chuàng)造性的部分。設(shè)計(jì)繞組結(jié)構(gòu)對(duì)于方波，波形的rms值就是脈沖時(shí)間的峰值乘以占空比的平方根。初級(jí)繞組在120W下，平均電流是120/400=0.3A。在27％的占空比下，Ipk=0.3/0.27=1.11A.Irms=1.11x(0.27)0.5=0.58A。把導(dǎo)線的損耗一半放在初級(jí)上，損耗為0.4W。對(duì)應(yīng)的電阻為R=P/I2

=1.19歐姆。使用PQ2620線軸，每匝的平均長(zhǎng)度56.2mm，40匝的繞組長(zhǎng)度為224.8cm，因此，導(dǎo)線的電阻為1.19/224.8，即0.53歐姆/米=0.16歐姆/英尺。最接近的選擇是＃32線，0.162歐姆/英尺。線軸寬度為14.2mm。留出3mm的邊，剩下8.2mm為20匝的層。8.2mm/20=0.42mm，為＃27導(dǎo)線的直徑（heavyinsulatedmagnetwire）。使用＃28導(dǎo)線，它的電阻為0.065歐姆/英尺，即R=0.213歐姆/米，則導(dǎo)線電阻為0.213x2.24=0.477歐姆。則繞組的直流損耗為Irms2R=0.16w。在100kHz下，＃20導(dǎo)線的直徑約為4倍的趨膚深度，Rac/Rdc

為1.0,因此交流損耗=直流損耗=0.16w一次側(cè)繞組損耗為:0.16+0.16=0.32w

確定導(dǎo)線規(guī)格有兩個(gè)次級(jí)繞組，一個(gè)對(duì)應(yīng)于12V輸出，一個(gè)對(duì)應(yīng)于5和3.3V（磁放大器）輸出。主要的設(shè)計(jì)需要決定：分離5V和12V的繞組？將對(duì)應(yīng)于5V和7V的繞組疊在一起（節(jié)省一個(gè)出腳）？在握流圈后將輸出疊在一起？這些影響到負(fù)載的調(diào)整率，尤其是在輕載時(shí)。在這次設(shè)計(jì)計(jì)算中，我們將使用分離的繞組。次級(jí)繞組的計(jì)算輸出端的電流為3A。計(jì)算rms繞組電流：若取400A/cm2的電流密度，則導(dǎo)線面積為0.39mm2。若選擇＃21導(dǎo)線，Aw=0.4181mm2可以滿足使用要求

。＃21導(dǎo)線的直徑為0.796mm。5匝3.98mm的繞線寬度。導(dǎo)線電阻為(56.2mm)x(5t)x(.0000419/mm)=.0118

。功耗為Irms2R=.029W?？紤]趨膚深度，在100kHz下，＃21導(dǎo)線的直徑約為3.7倍的趨膚深度，Rac/Rdc

為1.2.則繞組的交流損耗為0.029x1.2=0.0348w12V繞組損耗為:0.029+0.0348=0.0638w12V繞組電流由5V和3.3V的負(fù)載形成。由前面的設(shè)定,5V輸出的占空比=d5=0.273.3V電流的占空比為d3.3=0.27(3.3+0.4)/(5.4)=0.1855V和3.3V的電流疊加如下圖。5V和3.3V繞組的Irms計(jì)算如果波形如下所示，公式看上去是正確的。但因?yàn)榇欧糯笃餮舆t了脈沖的前沿，所以此式并不正確。由于rms值是波形的“加強(qiáng)”值，容易看出5A的脈沖在10A脈沖頂端時(shí)具有更大的效力。152

大于102+52

225>125。為何不用下式來(lái)計(jì)算Rms?上面計(jì)算的Irms=7.1A，當(dāng)電流密度為400A/cm2

，需要導(dǎo)線面積為.0178cm2

。＃15導(dǎo)線的面積為.0191cm2

。由于只有2匝，使用兩條或三條導(dǎo)線并聯(lián)效果更好。使用三條＃20導(dǎo)線（每條.00526cm2

），這將會(huì)占據(jù)6x0.887mm的寬度。實(shí)際上，由于這三條導(dǎo)線是并聯(lián)進(jìn)出的，實(shí)際需要的繞線寬度需要加上額外的三匝寬度。因此，需要寬度為9x0.887=7.983mm

。因?yàn)榭捎玫睦@線寬度為8.2mm,

一層能夠繞得下。關(guān)于趨膚深度的考慮，在100kHz下，＃20導(dǎo)線的直徑約為4倍的趨膚深度，Rac/Rdc

為1.3，在可以接受的范圍；而＃15導(dǎo)線的Rac/Rdc

大于2,交流損耗太大。5V和3.3V繞組的導(dǎo)線＃20導(dǎo)線的電阻為10mW/ft=0.0000328

/mm。三條導(dǎo)線并聯(lián)，導(dǎo)線電阻為(56.2mm)x(2t)x