铁氧体磁心多层线路板平面电子变压器的设计(一)
一. 概述:
1. 平面变压器的基本结构(图1):
1) 磁心:PEI、PEE、PRM等;
2) 多层线路板:MLPCB;
3) 针脚:SMD、TH;
4) 钢夹或粘合剂;
5) 绝缘材料。
2. 平面变压器的主要特点及其应用:
平面变压器由于其工作频率高(f>300KHz),又采用了扁平磁心及多层线路板的结构,使其具有以下的特点:
1) 高功率密度——体积小,重量轻;
2) 高效率——绕组的基本铜耗和附加损耗小,选用适当的磁密,总的铁耗较小;
3) 高可靠性——热、化学、机械性能稳定可靠;
4) 高精度——精密加工的磁心和线路板,使性能一致;
5) 低漏抗——通常漏电感与电感之比LL/L = 0.3~0.8%;
6) 低干扰——脉冲的波形和磁心的屏蔽作用都较好。
平面变压器由于具备上述诸多的优点,现已广泛地应用于通讯领域(程控交换机、无线机站、路由器及互联网站等)分布式电源架构的DC/DC变换器中,在其他领域(计算机、自动控制、船舶、汽车、航空、航天等)的应用正在发展中,但要被广泛地应用于商业和家用的电子设备和装置中,则有待平面变压器成本和价格的降低。
二. 变压器绕组感应电势与有关参量的关系:
1. 正激、反激拓扑:
用于正激或反激拓扑变换器中的变压器,其绕组感应电势脉冲的幅值为:
(1)
式中:
N——绕组的圈数
B——磁通密度的变化量
B=Bm-Br
Bm——磁通密度的幅值
Br——剩磁磁通密度
Ae——磁心的有效截面积
Ton——脉冲的持续(导通)时间
D——脉冲的占空比,,T为脉冲的周期
f——脉冲的频率,
磁心被单极性的脉冲电流磁化的过程如图2所示,经过若干个脉冲电流的磁化,最后磁心工作在图2中Bm—Br阴影部份的外包回线上。
式(1)的推导:
在t= 0至t =Ton的区间内,
各参量的单位:
Em:伏特(V );
△B:特斯拉(T);
Ae:米2(m2);
Ton:秒(S);
f:赫芝(Hz)。
2. 推挽、桥式拓扑:
用于推挽或桥式拓扑变换器中的变压器,其磁心被双极性脉冲电流磁化,工作在图3中-Bm—+Bm阴影部份的外包回线上,因此变压器磁心中磁通密度的变化量为Bm的两倍。将△B=2Bm代入式(1)便得到变压器绕组感应电势脉冲的幅值与有关参量的表达式如下:
(2)
在推挽或桥式变换器中,Ton必须小于,即D<0.5,以免两只开关管同时导通。
三. 变压器传输功率与其主要尺寸的关系:
通常以磁心的有效截面积(Ae)与磁心的窗口面积(AN)的乘积(AeAN)来表徵变压器的几何尺寸,它与变压器传输功率(P)的关系,可近似地以下式表达:
(3)
式中jcu为绕组导体的电流密度(A/mm2)。
1. 式(3)的推导:
P=VI
当忽略绕组的漏阻抗压降时,外加于绕组的端电压V≈Em,并以式(1)和(2)代入:
对于正激、反激拓扑,B=Bm-Br∝Bm;
对于推挽、桥式拓扑,B=2Bm设绕组导体的截面积为Acu,则其总面积为NAcu,而绕组的填充系数为,绕组的电流密度为,代入上式可得:
式中C是与变换器的拓扑和占空比的大小、磁心的形状和尺寸、绕组的分布和排列等有关的系数。
式(3)只是表达了磁心的几何尺寸与传输功率及有关参量(C、f、Bm、jcu)之间的关系,通常我们无须按式(3)定量计算出所需AeAN的值来选用或设计合适的磁心外形和尺寸,而是根据传输功率P和工作频率f,参考磁心生产厂家提供的资料或现有的产品作出初步的选择。
下表列出PEE系列磁心(磁心的材质相当于EPCOS N87)用作正激变压器在频率为100KHz和500KHz时传输功率的数据可供设计时参考。
当上列磁心用作推挽或桥式变压器时,其传输功率可比表中所列的参考值增加30%左右。而当采用PEI系列磁心时,比表中所列相应标称尺寸PEE磁心的传输功率参考值要减少30%左右。
2. 性能因数PF:
性能因数PF=f·Bmax是频率的函数,EPCOS各类功率磁材PF=f( f )的曲线如图4所示,这组曲线是在如下的测试条件下得到的:
磁心的形状和尺寸:R29(29.5×19×14.9mm)磁环;环境温度:T= 100℃;磁心的总损耗:Pv=300Kw/m3。
由于磁心的总损耗(式中:1≤x≤2, 2≤у≤3,CFe为与温度、材质有关的系数),Pv保持不变,在提高 f 时虽然Bmax要相应的降低,但f·Bmax乘积还是随 f 的提高而增加,所以PF= f( f )是一组上升的曲线。
例:设 f1=100KHz
Bmax1=160mT
当 f2=100KHz时:
取x1=x2=1.6,y1=y2=2.3
PF1= f1·Bmax1=100×160=16000KHz·mT
PF2= f2·Bmax2=300×74.5=22350KHz·mT
由式(3)可知P∝f·Bm·jcu,所以材质、形状和大小相同的磁心,其可传输的功率将随工作频率的提高而增加;反之传输功率一定时,提高工作频率可使变压器的体积缩小,重量减轻。对于多层线路板平面变压器,因绕组的铜耗较低、散热条件良好而可选用较高的电流密度 jcu,就更有利于变压器体积和重量的减小。
不同磁材的PF= f(f)曲线可供设计者在选择磁材的种类和磁通密度幅值的大小时参考。为便于比较不同磁材的性能,PF= f(f)曲线必须在前述相同的条件下测取,因此不要误认为当设计工作频率为f的变压器时,所选取的Bm的最大值可以等于从曲线上找到的值,Bm的选定完全取决于变压器的损耗、效率和温升。
四. 变压器圈数比的选择:
变压器圈数比K的选择与变换器的拓扑及脉冲的占空比有关。
N1,N2为原副边绕组的圈数
参看式(1)和(2),Em∝N
E1m,E2m为原副边绕组感应电势的幅值
正激DC/DC变换器的原理图如图5所示,图中:
Vs——电源电压
V1——原边开关电路电压
V0——负载端电压
Tr——开关管
D——整流二极管
r1—— 原边绕组电阻
r2—— 副边绕组电阻
r3—— 取样电阻
L——滤波电感
原边绕组感应电势的幅值:
式中为原边绕组、开关管和取样电阻的压降之和。
副边绕组感应电势的平均值:
式中为副边绕组、整流管和滤波电感的压降之和。
(4)
参看推挽(图6)、半桥(图7)和全桥(图8)DC/DC变换器的原理图,可见对于推挽和桥式DC/DC变换器,其输出电路为双极性脉冲的全波整流、滤波电路,因此:
(5)
对于半桥式DC/DC变换器,因输入电源电压Vs被桥臂的两只电容分压,故应以代入(5)计算。
选择变压器的圈数比时,应考虑原边电压的波动,务必使对应于最高及最低电压(V1max及V1min)的占空比(Dmin及Dmax)及在合适的范围之内。至于变压器实际采用的圈数比,则有待选定了其原副边绕组的圈数N1及N2以后再确定。
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