基于變壓器的開關(guān)電源設(shè)計(jì)

基于變壓器的開關(guān)電源設(shè)計(jì)

0功能密度和頻率作為開關(guān)的一個(gè)功能源，磁體的體積、重量和損失在整個(gè)機(jī)器中所占的比例相當(dāng)大。據(jù)統(tǒng)計(jì),磁性元件的重量一般是變換器總重量的30%~40%,體積占總體積的20%~30%,對(duì)于模塊化設(shè)計(jì)的高頻電源,磁性元件的體積、重量所占的比例還會(huì)更高。另外,磁性元件還是影響開關(guān)電源輸出動(dòng)態(tài)性能和輸出紋波的一個(gè)重要因素。因此,要提高開關(guān)電源的功率密度、效率和輸出品質(zhì),一個(gè)關(guān)鍵是提高其中磁元件的功率密度,降低磁性元件的體積和重量。21世紀(jì)是信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)代,通信設(shè)備使用的模塊電源,對(duì)變壓器提出更嚴(yán)格的要求,如小尺寸,低剖面,大輸出電流,最小的電磁輻射。這樣傳統(tǒng)變壓器已經(jīng)成為制約開關(guān)電源技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的一個(gè)因素。而平面變壓器因?yàn)槠涮厥獾钠矫娼Y(jié)構(gòu)和繞組的緊密耦合,不但具有高功率密度的特點(diǎn),還使得其高頻寄生參數(shù)得到了很大的降低,極大改進(jìn)了開關(guān)電源的工作表現(xiàn)。因此,近年來其在開關(guān)電源,特別是高頻領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文綜述了近年來平面變壓器技術(shù)的發(fā)展,與傳統(tǒng)變壓器進(jìn)行比較,分析了平面變壓器在當(dāng)今開關(guān)電源發(fā)展應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)和前景,并進(jìn)一步介紹了平面變壓器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。1多層板平面變壓器傳統(tǒng)的繞線變壓器通常由鐵氧體磁芯及銅線圈構(gòu)成,匝數(shù)較多、體積龐大而且容易產(chǎn)生電磁干擾。平面變壓器與傳統(tǒng)的繞線變壓器最大的區(qū)別就在于磁芯及線圈繞組。它多采用小尺寸的高磁導(dǎo)率功率鐵氧體磁芯,在高頻下有較低的磁芯損耗;由于高頻集膚效應(yīng)影響和要求通過大電流,普通的繞線技術(shù)在平面變壓器中已不能適應(yīng),其繞組采用多層印刷電路板迭繞而成,然后迭放在磁芯上構(gòu)成變壓器的磁回路。在圖1中表示出了一種典型的多層板平面變壓器結(jié)構(gòu)。平面變壓器的這種結(jié)構(gòu)決定了它具有低的直流銅阻、低的漏感和分布電容,降低了其在高開關(guān)頻率時(shí)趨膚效應(yīng)的損耗,也就是傳統(tǒng)說法的渦流損耗。因此,能更有效地利用銅導(dǎo)體的表面導(dǎo)電性能,效率要比傳統(tǒng)變壓器高的多。同時(shí)也有效地解決了體積、高頻及射頻干擾問題,為開關(guān)電源的輕型化、小型化提供了可能。2平面變壓器ws特點(diǎn)目前使用比較多變壓器有:常規(guī)變壓器、壓電陶瓷變壓器和平面變壓器。將三種類型的變壓器的性能進(jìn)行比較,見表1。從表1可以看出平面變壓器在轉(zhuǎn)換效率、工作頻率溫度范圍、體積和EMI輻射方面有著很大優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)繞線變壓器相比,它還具有許多優(yōu)點(diǎn):(1)剖面低,組裝性能好;(2)功率密度高,比傳統(tǒng)變壓器的功率密度高3倍;(3)高電壓、高電流。電流密度大,每層繞組最大電流可達(dá)200A,次級(jí)升壓可達(dá)20kV以上;(4)低漏感,約為初級(jí)電感的0.2%左右;(5)參數(shù)穩(wěn)定,可重復(fù)特性好;(6)熱通道距離短,溫升低,散熱面積大,散熱效果好;(7)繞組之間、初次級(jí)及次次級(jí)間具有高絕緣性,初次級(jí)間絕緣隔離可達(dá)4kV。鑒于平面變壓器的上述種種技術(shù)參數(shù)上的優(yōu)越性,它可以廣泛應(yīng)用在筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)字化電視、通信電源、汽車電子等領(lǐng)域。目前佩頓公司已能提供功率為5~25kW,頻率為50kHz~2MHz的一系列PM產(chǎn)品。一只200W的低高度平面變壓器僅14mm高,比傳統(tǒng)的高頻產(chǎn)品體積小,重量也輕了許多。由于其寄生電抗極小,即繞組間電容和漏電感極小。故效率高達(dá)97%,最高工作頻率為2MHz,漏抗小于0.2%。在汽車等特殊的電氣和機(jī)械環(huán)境里,對(duì)變壓器設(shè)計(jì)和工藝提出更嚴(yán)格的要求,目前平面變壓器已經(jīng)在中檔轎車中使用。另外,寬帶傳輸應(yīng)用的平面變壓器,也顯示了良好的發(fā)展前景。3平面壓力設(shè)計(jì)3.1絕緣材料的容性效應(yīng)平面變壓器的漏感值與其繞組間距有關(guān),可以通過調(diào)整繞組間的距離調(diào)整漏感的大小。在圖2、圖3中給出了在不同的繞組間距下漏感和交流阻抗的變化。可以看出間隙越大,漏感越大,交流阻抗越小,而且變化的趨勢(shì)很明顯。因此,從減小漏感的角度出發(fā),在滿足電氣絕緣需要的情況下,應(yīng)該選用最薄的絕緣體,從而獲得最小的漏感值。但是繞組間的容性效應(yīng)也是需要考慮的,印制電路板上緊密結(jié)合的導(dǎo)線間的容性效應(yīng)非常明顯。絕緣材料的選取對(duì)容性值也有著非常大的影響,絕緣材料的容性越高,將會(huì)使得變壓器的容性值越高。而容性效應(yīng)會(huì)引起EMI,因?yàn)閺某跫?jí)到次級(jí)的繞組中只有容性回路的繞組傳播這種干擾。因此如果需要一個(gè)比較低的電容值,則需要在漏感和電容值之間做出一個(gè)平衡的選擇。3.2變壓器交流阻抗測(cè)試交叉技術(shù)是指在布置變壓器原、副邊繞組的時(shí)候使得原邊繞組和副邊繞組交替放置,增加原、副邊繞組的耦合,減小漏感,同時(shí)使得各層繞組電流平均分布,減小變壓器損耗。繞組交叉技術(shù)的研究可分為兩個(gè)方面:應(yīng)用于變壓器的交叉(正激電路)和應(yīng)用于連接電感器的交叉(反激電路)。因此交叉技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)被放在不同的拓?fù)渲凶鳛椴煌拇判圆考硌芯俊?yīng)用于變壓器中的交叉技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有:(1)在變壓器中磁性能量?jī)?chǔ)存空間的減少,導(dǎo)致漏感的減少;(2)電流傳輸過程中在導(dǎo)體上的理想分布,導(dǎo)致交流阻抗的減少;(3)繞組間更好的耦合作用,更低的漏感。在圖4中,表示出了三種應(yīng)用了交叉技術(shù)的不同繞組結(jié)構(gòu)。P代表初級(jí)繞組,S代表次級(jí)繞組。圖4(a)中的繞組疊放方式為P-S-P-S-P-S-P-S結(jié)構(gòu);圖4(b)中的繞組疊放方式為P-S-P-S-S-P-S-P結(jié)構(gòu);圖4(c)中的繞組疊放方式為P-S-S-P-P-S-S-P結(jié)構(gòu)。三種結(jié)構(gòu)都運(yùn)用了交叉技術(shù),但因?yàn)镻-S-P-S-P-S-P-S結(jié)構(gòu)初次級(jí)繞組都是間隔交叉的,更充分地耦合,高頻工作條件下表現(xiàn)最優(yōu)。圖5表示出了500kHz頻率下,三種結(jié)構(gòu)的交流阻抗關(guān)系,通過比較可以很容易發(fā)現(xiàn)高頻工作條件下(>370kHz)圖4(a)的交流阻抗是最小的。圖6表示出了500kHz時(shí)三種結(jié)構(gòu)的漏感值的關(guān)系,圖4a中P-S-P-S-P-S-P-S結(jié)構(gòu)漏感值同樣最小。盡管采用繞組交叉技術(shù)具有顯著的優(yōu)點(diǎn),但仍有一些問題需要考慮。例如,變壓器中產(chǎn)生出較多的端子,初級(jí)和次級(jí)電路的隔離變得更加困難。而且,設(shè)計(jì)要求初級(jí)和次級(jí)之間EMI屏蔽,將會(huì)要求額外數(shù)量的屏蔽物。3.3基于現(xiàn)代進(jìn)程的平面變壓器設(shè)計(jì)平面變壓器的優(yōu)點(diǎn)在前面已經(jīng)論述了,但是它最主要的缺點(diǎn)就是設(shè)計(jì)的過程非常復(fù)雜,設(shè)計(jì)成本高。文獻(xiàn)給出了一種標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)平面變壓器的程序步驟,大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過程。它提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的匝數(shù)設(shè)計(jì),能夠被用于不同的平面變壓器中。以基于RM磁芯的平面變壓器設(shè)計(jì)為例。圖7給出了一系列與RM磁芯配套的PCB繞組,每一行四層結(jié)合作為一套繞組。可以參照它按實(shí)際變壓器初、次級(jí)需要的匝數(shù)和電流設(shè)計(jì)合適的PCB繞組。圖8表示出了RM磁芯與PCB繞組結(jié)合方式。該系列PCB繞組形狀與RM磁芯相匹配,結(jié)合后成為規(guī)則的幾何形狀。PCB布線時(shí),銅箔高度可按照對(duì)應(yīng)于最大開關(guān)頻率時(shí)的趨膚深度選取,以減少集膚效應(yīng)的影響。具體的設(shè)計(jì)步驟和注意事項(xiàng)請(qǐng)參閱文獻(xiàn)、。4變壓器的設(shè)計(jì)隨著現(xiàn)代開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)線繞變壓器已經(jīng)越來越不適宜用于一些高頻DC/DC變換器及其它應(yīng)用中。平面變壓器由于其高功率密度、寬工作頻