设计高频变压器的注意事项 admin    18/09/07



1.绕线注意事项

    (1)尽量不要使用线径大于Φ0.56mm的漆包线。漆包线越粗,就越难绕制,而且可能 因应力过大而使骨架破裂。为减小集肤效应,应尽量采用多股较细的漆包线来代替粗导线。

    (2)尽量不要使用线径小于Φ0.13mm的漆包线。这种漆包线在绕制过程中很容易 断裂。

    (3)尽量不要在高频变压器的相邻层上使用规格相差很大的绕线。例如,一次绕组 使用Φ0.45mm的漆包线,而偏置绕组采用Φ0.13mm的漆包线,绕制将费时费力。在这 种情况下,偏置绕组更适于使用Φ0.33mm的漆包线。

    (4)如果绕组层数不是整数值或绕线未占满一层,最好将该层的绕线展开,使其在 整个绕线宽度上均匀分布,而不要将所有的绕线集中在一个区域。

    (5)在绕制高频变压器时,利用绝缘套管可对绕组的始端和终端引线进行绝缘。应 采用电气参数合格的耐热型绝缘套管,以避免在焊接引线时被熔化。高频变压器骨架上 二次绕组的引脚经过安全基座焊接在骨架插脚上,如图4-7-1所示。

图4-7-1  二次绕组引脚经过安全基座焊接在骨架插脚上

    (6)骨架的线轴定位如图4-7-2(a)、(b)所示。图4-7-2(a)为水平放置的骨 架,两个磁心是水平装配的,它与印制板保持平行;图4-7-2(b)为垂直放置的骨 架,两个磁心是垂直装配的,与印制板保持垂直

图4-7-2  骨架的线轴定位

    (7)磁心有多种形状和尺寸。E型磁心是反激式变换器最常用的一种磁心。磁心材料通常选铁氧体磁 心,其工作频率超过100kHz,而损耗比其他材料低很多。当开关频率约为100kHz时,合适的铁氧体材料型 号有Nippon Ceramic公司生产的NC—2H、TDK公司生产的PC40、西门子公司生产的N67或N87。当开关频 率为300~400kHz时,可采用Ferroxcube公司生产的3F3型磁心。

    在骨架的左右两边均应留出安全边距。对于交流110V输入电压,总安全边距为2.5~3mm;对于交流 220V输入电压和85~265V通用输入电压范围,总安全边距为5~6mm。当二次绕组采 用三层绝缘线或选择36~72V低压直流输入时,可不留安全边距。骨架材料可选酚醛 树脂、聚丁烯或聚苯二甲酸乙二醇酪。因尼龙材料在焊接时很容易熔化,故禁止使用。

2.一次绕组

    一次绕组类型有以下3种:单股绕线、双股并绕、多股并绕。当开关电源输出功率 大于30W时,一次绕组采用分层绕制法能减少漏感。此时可将一次绕组分成两部分各 绕一层,而将二次绕组夹在这两层中间,亦称“三明治绕法”或“夹层绕法”。通常是 将一次绕组的一半绕在最里层,另一半绕在最外层。在绕制最外层绕组之前,需要对一 次绕组与二次绕组采取进一步的绝缘措施,采用分层绕制法不会改变一次绕组的电气性 能,但可降低漏感。在一次绕组与二次绕组之间加胶带层,可降低分布电容器。绝缘带 可采用耐压为1kV的聚酯绝缘胶带,通常在一次、二次绕组之间使用两层绝缘胶带。 若二次绕组采用三层绝缘线,就不需要使用绝缘胶带。亦可在两层一次绕组之间加上一 层绝缘胶带,这层胶带可减少绕组分布电容器所存储的能量,从而降低空载能耗。

    对于多层高频变压器绕组,可采用Z型绕组或C型绕组的绕制方法,分别如图4-7- 3(a)、(b)所示。Z型绕组的特点是一次绕组的排列和走线方式像英文字母Z,可减小 高频变压器一次绕组的分布电容器,从而降低了一次侧的交流开关损耗。Z型绕组适用 于要求空载功耗低,待机效率高的应用,但会使漏感稍微增加,降低骨架的利用率。对 于其他应用,可采用结构较简单的C型绕组。C型绕组的一次绕组排列和走线方式像英 文字母C,其优点是绕制简单,但效率略低,损耗较高。在使用多股漆包线并绕的情况 下,需要优化电流分布,使电流能平均分配到每根漆包线上。但随着引线数量的增多, 焊接到引脚上的困难就越多。若漆包线的线径较粗而骨架引脚很细,困难就会更大。一 般情况下,焊到同一个引脚上的引线数量不宜超过4条。但如果使用的漆包线较细,即 使在同一引脚上焊接5~6条漆包线也不会有太大问题。

图4-7-3  采用Z型或C型绕组

3.二次绕组

    多路输出式开关电源的二次绕组(次级)有两种绕制方法,一种是分离式绕法,另 一种是堆叠式绕法。二次绕组两种绕法的比较见表4-7-1,二者的结构分别如图4-7- 4(a)、(b)所示。

表4-7-1  二次绕组两种绕法的比较

绕制方法 优点 缺点
分离式绕法

1.排列具有灵活性

2.可将输出电流较大的某一路输出靠近一次侧,能把漏感引起的能量损失减至最小

1.漏感较大,在输出滤波电容器上会产生峰值充电效应,导致轻载下的负载调整率变差

2.制造成本较高

3.骨架上的引脚较多

堆叠式绕法

1.能加强磁耦合

2.能改善轻载时的稳压性能

3.骨架上的引脚数量较少

4.制造成本低

1.电压最低(或最高)的绕组须靠近次侧

2.为降低大电流时的漏感缺乏灵活性

图4-7-4  二次绕组的两种绕制方法

    采用堆叠式绕法可改善辅助输出的交互稳压特性。分离式绕法的每个输出绕组均单 独使用导线,每个绕组上仅传输与该路特定负载有关的电流,在确定各绕组的排列顺序 上具有一定的灵活性。设计者可单独设计每个二次绕组,并且各二次绕组 之间在电气上相互隔离。采用堆叠式绕法时,高压绕组就叠加在低压绕组 上部。这些叠加绕组采用同一根导线绕制。这样,低电压绕组可分担高电 压绕组的负载电流。某个叠加绕组的始端是指所有叠加绕组的公共点(通 常为接地点)。在骨架上绕制所需的绕 组匝数后,每个叠加绕组在高频变压器的骨架引脚处结束绕制。下一个叠加绕组的绕制就 从上一绕组的终端引脚处开始。因此,每个电压更高的输出绕组“叠加”在下一个电压更 低的绕组上面。但必须与一次绕组和反馈绕组实现电气隔离。此外,还可将分离式绕组与 堆叠式绕组组合起来使用。

4.屏蔽

    (1)一次侧屏蔽绕组。因该绕组位于一次绕组与二次绕组之间,并以一次侧为参 考,故称之为一次侧屏蔽绕组。对于多路输出式开关电源,二次侧是指第一个二次绕 组,即距离一次绕组最近的那个绕组。通常应使输出电流最大或稳压性能要求最严格的 那路输出绕组距离一次绕组最近。

    (2)二次侧屏蔽绕组。该绕组也位于一次绕组与二次绕组之间,但它以二次侧为参 考,因此命名为二次侧屏蔽绕组。若二次绕组采用三层绝缘线,则其屏蔽绕组也应使用 同样的线材,并将二次侧屏蔽绕组的两端都接到骨架的一个引脚上以符合安全标准。

    (3)磁屏蔽。为防止高频变压器对相邻电路造成干扰,还可在高频变压器外部增加 磁屏蔽。最简单的方法是把一个薄铜片环绕在变压器外部,构成如图4-7-5所示的屏 蔽带。该屏蔽带相当于短路环,能对泄漏磁场起到抑制作用。此外,也可将磁屏蔽接到 稳定直流的节点上,以减少静电耦合干扰。

图4-7-5  高频变压器的屏蔽带

5.集肤效应

    当高频电流通过导体时,电流将集中在导体表面流通,这种现象称为集肤效应 (Skin Effect,亦称趋肤效应)。由于存在集肤效应,而将电流限制在导体截面上的一部 分区域,这不仅降低了导线的有效使用面积,还增加了等效电阻。集肤效应可用该频率下的“透入深度”众来表示。集 肤效应的示意图如图4-7-6所示。电流趋向于流过导线的阴影区域。导线的其余部分为未使用的面积。透入深度由下式 确定

d = (1/πfμσ)0.5       (4-7-1)

    式中:f为开关频率;μ为导线的磁导率;σ为导线的电导率;d的单位是cm。

图4-7-6  集肤效应的示意图

    对于铜导线,当环境温度为20℃时,式(4-7-1)可简化为

d = 6.61/(f)0.5       (4-7-2)

    当环境温度为100℃时,公式变为

d = 7.65/(f)0.5       (4-7-3)

    显然,当开关频率固定时,透入深度为一常数。因此,采用多股导线并绕的方法可 减小铜导线的未使用面积。

6.临近效应

    临近效应与距离很近的两根导线的磁场相关。当高频变压器中两根相邻导线的开关 电流方向相同时,电流就会趋向于沿导线彼此不接近的半侧流动,如图4-7-7所示。 图中的×代表磁场方向。同理,如果开关电流方向相反,电流就会趋向于沿导线彼此接 近的半侧流动。上述情况均会导致导线有效面积降低。当高频变压器采用多层结构时, 邻近效应比集肤效应的影响大。设计时应尽量少用多层结构。

图4-7-7  临近效应的示意图

7.高频变压器的损耗

    高频变压器损耗是导致高频变压器温升的主要原因。高频变压器损耗主要包括铜 耗损和磁心损耗。令P表示高频变压器损耗。铜耗损的符号为PCu磁心损耗的符号 可用PCORE表示。当磁通密度增加时,磁滞损耗将增大,而铜损耗会降低。当磁心损 耗与铜损耗近似相等时,所选择的磁通密度为最佳值。高频变压器的总损耗与磁通密 度的关系曲线如图4-7-8所示。高频变压器的总损耗就等于磁心损耗和铜损耗之和, 有公式

P = PCu +  PCORE      (4-7-4)

图4-7-8  高频变压器的总损耗与磁通密度的关系曲线

8.磁心的气隙宽度

    为防止磁心饱和,高频变压器的磁心应留有一定的空气间隙。气隙宽度一般为 O.02~O.1mm。开关稳压器常用的EI、EE和POT型磁心的磁通路径分别如图4-7-9 (a)、(b)、(c)所示。因空隙附近的磁通密度很高,容易产生磁通噪声,故磁通不要跨 过气隙到达其他磁心的位置。由于EI、EE型磁心的价格便宜且容易制造,因此在开关 稳压器中使用的非常广泛。POT型铁氧体磁心的辐射噪声最小,制造起来比环形磁心 更容易。

图4-7-9  EI、EE和POT型磁心的磁通路径



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