反激电路变压器设计进阶

L po Lkp Lm
Lso
Lso Lm / n 2
L ps Lkp
Lm n Lkp
L ps
Lm
s=0
P S P S
气隙对漏感本身大小影响不大 p=0 气隙影响漏感与激磁电感比值(耦合系数)
短路副边
短路原边
9
影响电压应力的分布参数
Lk Cp DCM Vi+Vo*n Vi Lm
Vds Cds
Magnetics and Power Conversion Lab
反激电路变压器设计进阶
陈 为 博士 chw@fzu.edu.cn
福州大学电气工程与自动化学院 教授, 博士生导师 中国电源学会常务理事, 磁技术专委会主任委员
2016年05月28日 深圳
Magnetics and Power Conversion Lab
损耗
匝数
Pw Pe
匝数 or 磁芯面积
总损 耗
Pt
铁芯面积 Ae 损耗 vs. 匝数 or 磁芯面积
8
反激变换器实际工作波形
CCM
ON OFF
DCM
电压
Vi+Vo*n Vi
ON OFF DCM
电流
影响差模噪声
影响开关应力和共模噪声(频点，幅值)
变压器的电路模型与参数测量
Lkp n:1
L po
Lm Lkp Lm Lkp n:1 n:1
Ip
MMF(x)
Ip
MMF(x)
x
x
x
J(x) H(x)
降低绕组匝数/匝长 减少绕组层数 绕组并联
10
变压器绕组电场分布与电容
0
原 边
副 边
Cp Cps ips
Vp
Qps 原、副边绕组间的感应电荷 ips Qp 原边绕组储存的电场能量 Cp Cp对DM-EMI的效应 宽频范围的差模噪音 Cps对CM-EMI的效应 共模噪音 1 2 Cp对损耗的效应 PCp ( C p V p ) f 2
TX CMC DMC PFC SR L
电感器
直流滤波电感器 谐振电感器 PFC电感器 逆变电感器
D2A
集成磁件 滤波器
差模电感 共模电感 差+共模集成电感 电感+电感 变压器+电感 变压器+变压器 滤波器+变压器 滤波器+电感
磁性元件的重要性
输入 输出
尺寸、重量 形状、高度 安规、耐压 客制化设计 损耗、温升 人工成本 参数一致性控制 磁件测量 电磁兼容 其他性能
is_Tx
变压器分 量电流 电感器分 量电流 直流分量 电流
ip_Lm
0
DTs
Ip_Lm
Ts
is_Lm Is_Lm t
0
DTs Ts
t
Ip_DC
Is_DC
变压器绕组电流可以分解为变压器和电感器分量 两个电流分量是正交的，即损耗可以分离
7
变压器磁场分布与损耗分析
负载电流激励 激磁电流激励 总电流激励
VDS n Vo Vi _ max
VD Vo Vi _ max n
Vi n Vo 1- Dmax Dmax
Dmax=0.45
Dmax=0.40 Vo=12V, Vi_max=265*1.4V, Vi_min=90*1.4V
反激变压器基本电气设计– 电感量
ip Vi n:1 is Vo
变压器漏感磁场
激磁电感磁场
总磁场
变压器绕组损耗的减小方法：绕组三明治、交错布置，线规优化 电感器绕组损耗的减小方法：分布气隙、气隙避让、多股绞线
变压器优化设计– 铁芯面积/匝数
绕组损耗模型 匝数，匝长(磁芯面积)，绕组结构，线规(线径/股数)，频率 磁芯损耗模型 匝数，磁芯面积，材质，体积，频率
5
变压器中的电磁场分布
原、副 边电荷 漏磁 通 副边 电荷
磁芯损耗
原边 电荷
激磁 磁通
电场分布
磁场分布
涡流损耗
ip
im
is
反激变压器磁芯选择考虑
H2.: 考虑磁能量储存能力
f .B: 考虑磁能量传输能力
f x B
根据频率选磁芯材料
根据磁芯材料选有效磁导率
6
磁芯损耗特性
磁芯损耗与如下因素有关: 材料材质； 工作频率f； 交流磁密Bac； 工作温度T； 直流偏磁磁密Bdc； 励磁波形D。
I o N s I pDC N p la
B DC 1 / l g
Bm B DC
B AC 2
Bm
B
B
Bm Bdc Bac
B DC
H
既要考虑磁芯的损耗(B),又要考虑磁芯的饱和(Bm)
气隙对电感量的影响
lg
L 0
Ae N2 lg
小气隙
气隙扩散效应
绕组涡流去磁效应
窗口高度影响
Cp
CP
Vp
8 C0 27
x
Vp/2
CP
1 C0 4
绕组的高度、层数和绕 线方式会影响绕组分布电容
V(x)
A
11
绕组分布电容的测量
L
Cp
L
fr
fr
1 2 L C p
根据低频测量的L和谐振频率点fr，可以算出Cp。
原、副边绕组间共模噪声
x
LISN
x
LISN
V(x)
V(x)
Qps Vp Vp
Qps
Cps
ips
Cps
12
考虑副边电位的屏蔽变压器电场分布
x
V(x)
LISN
Csp
Np
Vs
Ns Cps
Qsp
L N
Vp
Qps
G
Csp
Vo*n+Vi
Qcm=Qps+Qsp
Vp
Vo
Vs
当 Qps=Qsp 时，变压器 的共模噪音抵消消除
Cps
-Vi/n
降低共模耦合电容的考虑
增加原副边绕组间的距离 减少原副边绕组间的面积 采用低介电系数绝缘胶带 采用更完全的屏蔽 改变电位分布使Qcm=0
Lp
Vds
法拉第电磁感应定律 安培环路定律
I
CCM
Vi Dmax Lp f I i krp Ii
Vi _ min Dmax Lp f
Lp
Vi Dmax Vi 2 Dmax krp I i f krp Pi f
CRM
I pk
1 Pi Lp I pk 2 f 2
主要内容
功率变换器磁元件的设计考虑 反激变压器基本电气设计 反激变压器磁芯选择考虑 反激变压器绕组损耗分析 反激式变压器的杂散参数效应 磁(场)特性-感性效应 电(场)特性-容性效应 PSR反激变换器
1
开关功率变换器功率磁性元件
变压器
正激变压器 反激变压器 中间抽头变压器 推挽变压器
漏感增大, 体积增大 绕组层增多, 损耗增大 增加成本 增加空间, 成本和损耗 简单的方法
13
调整变压器共模有效电容的方法
Ca
2
x x
Hot point
Cps(x) Csp(x)
Csp(d)
1
外加补偿电容
x
P
d
S
调整绝缘层厚度
Up
P
S
2
6-7
C
L
调整屏蔽体面积
1-2
1
引入电位导体
调整绕线方式
2 P CV k f s Bac (C0 C1 T C2 T )
反激变压器绕组损耗机理
Uin ip
U in
D Tx is Co R
ip
Lk1 iLm
ip_Tx RTx Lm
Tx N:1
Lk2
Uin RLm
Co
S
ip
is
绕组电流 波形
Is_Tx
ip_Tx
Ip_Tx
CCM
ON OFF ON
CRM
OFF
DCM
ON OFF
Vi+Vo*n Vi Vds
ip
is
ip
Vi Vds n:1 is Vo
反激变压器实际上是变 压器与电感器的磁集成。
3
反激变压器基本电气设计-- 匝比
ip Vi Vi_min VDS n:1 is VD Vo
确定最大占空比限制Dmax 二极管反向耐压限制VD 开关管承受电压限制VDS
Lk Cp Lm
CCM Vi+Vo*n
Vds Cds
对CM-EMI的效应 f r 对损耗的效应
1 2 Lkp (C p / / Cds )
1 PLk ( Lkp I pk 2 ) f 2
减少漏感的考虑
绕组结构
一般结构 三明治结构 全交错结构
Ip
MMF(x)
Lp
(Vi _ min Dmax )2 2 Pi f
DCM
4
反激变压器磁芯磁通特点
B ip Np Vi lg Ns Ae Vo is
B
VoltSecond Vi DTs Vo (1 D)Ts N Ae N p Ae Ns Ae
B 1 / Ae
B DC a
高频磁性元件已经成为功率变换器进一步发展的瓶颈 磁技术已经成为当前开关电源主要关注内容
2
磁性元件的设计考虑
结构设计
电气设计
杂散参数
损耗设计
热设计
EMI设计
L
N 2 Ae
le
P T ( ) 0.833 S
1
8 6
4
2
0
2 10
4
4 10
4
6 10
4
8 10
4
反激变换器原理工作波形
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变压器共模噪声特性测量
无法反映变压器在实 际工况下的共模特性
沿着绕组导体上的电压分布不均匀 原副边绕组之间有屏蔽
信号发 生器
信号发生器+示波器
V1
几k
LCR表
V2
网络分析仪等(两端口)
示波器
示波器
V1 V2 网络分析仪
output
input
14
原边反馈(PSR)反激变换器
ip Vi
绕组并联等效电容Cp
x
Vp
V ( x) V p
A 0
x A
A 0 A1 C 1 1 C 2 (dC )V ( x) 2 ( 0 dx)V ( x) 2 ( 0 )V p 0 2 2 2 3 A
V(x)
0
A
E dE
CP 1 C0 3
C0: 绕组层间的结构电容
NP
n:1
is
NS
Vo VDD
NA
ip
I pk
VAux
is
VAux
tD
NP I pk NS
VA NA V0 VD NP
Ipk
tD
I0
1 tD N P I pk 2 Ts N S
VA
NA V0 VD NP
I0 V0
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