開關(guān)電源中高頻磁性元件設(shè)計常見錯誤概念
1 引言
開關(guān)電源中高頻磁性元件的設(shè)計對于電路的正常工作和各項性能指標的實現(xiàn)非常關(guān)鍵.加之高頻磁性元件設(shè)計包括很多細節(jié)知識點,而這些細節(jié)內(nèi)容很難被一本或幾本所謂的“ 設(shè)計大全 ” 一一羅列清楚 [1 - 3] .為了優(yōu)化設(shè)計高頻磁性元件,必須根據(jù)應用場合,綜合考慮多個設(shè)計變量,反復計算調(diào)整.正由于此,高頻磁性元件設(shè)計一直是令初涉電源領(lǐng)域的設(shè)計人員頭疼的難題,乃至是困擾有多年工作經(jīng)驗的電源工程師的問題.
很多文獻及相關(guān)技術(shù)資料給出的磁性元件設(shè)計方法或公式往往直接忽略了某些設(shè)計變量的影響,作了假設(shè)簡化后得出一套公式;或者并未交代清楚公式的應用條件,甚至有些文獻所傳達的信息本身就不正確.很多電源設(shè)計者并沒有意識到這一點,直接套用設(shè)計手冊中的公式,或把設(shè)計手冊中某些話斷章取義,尊為 “ 設(shè)計綱領(lǐng) ” ,而沒有進行透徹的分析和思考,以及實驗的驗證.其結(jié)果往往是設(shè)計出來的高頻磁性元件不能滿足應用場合的要求,影響了研發(fā)的進度和項目的按期完成.
為了使電源設(shè)計者在設(shè)計過程中,避免犯同樣的錯誤,為此,我們針對在學習和研發(fā)中遇到的一些概念性的問題進行了總結(jié),希望能給大家提供一個借鑒.
2 一些錯誤概念的辨析
這里以小標題形式給出開關(guān)電源高頻磁性元件設(shè)計中 8 種常見的錯誤概念,并加以詳細的辨析.
1 )填滿磁芯窗口 —— 優(yōu)化的設(shè)計
很多電源設(shè)計人員認為在高頻磁性元件設(shè)計中,填滿磁芯窗口可以獲得最優(yōu)設(shè)計,其實不然.在多例高頻變壓器和電感的設(shè)計中,我們可以發(fā)現(xiàn)多增加一層或幾層繞組,或采用更大線徑的漆包線,不但不能獲得優(yōu)化的效果,反而會因為繞線中的鄰近效應而增大繞組總損耗.因此在高頻磁性元件設(shè)計中,即使繞線沒把鐵芯窗口繞滿,只繞滿了窗口面積的 25 %,也沒有關(guān)系.不必非得想法設(shè)法填滿整個窗口面積.
這種錯誤概念主要是受工頻磁性元件設(shè)計的影響.在工頻變壓器設(shè)計中,強調(diào)鐵芯和繞組的整體性,因而不希望鐵芯與繞組中間有間隙,一般都設(shè)計成繞組填滿整個窗口,從而保證其機械穩(wěn)定性.但高頻磁性元件設(shè)計并沒有這個要求.
2 ) “ 鐵損 = 銅損 ”—— 優(yōu)化的變壓器設(shè)計
很多電源設(shè)計者,甚至在很多磁性元件設(shè)計參考書中都把 “ 鐵損 = 銅損 ” 列為高頻變壓器優(yōu)化設(shè)計的標準之一,其實不然.在高頻變壓器的設(shè)計中,鐵損和銅損可以相差較大,有時兩者差別甚至可以達到一個數(shù)量級之大,但這并不代表該高頻變壓器設(shè)計不好 [4] .
這種錯誤概念也是受工頻變壓器設(shè)計的影響.工頻變壓器往往因為繞組匝數(shù)較多,所占面積較大,因而從熱穩(wěn)定、熱均勻角度出發(fā),得出 “ 鐵損 = 銅損 ” 這一經(jīng)驗設(shè)計規(guī)則.但對于高頻變壓器,采用非常細的漆包線作為繞組,這一經(jīng)驗法則并不成立.在開關(guān)電源高頻變壓器設(shè)計中,確定優(yōu)化設(shè)計有很多因素,而 “ 鐵損 = 銅損 ” 其實是最少受關(guān)注的一個方面.
3 )漏感 =1 %的磁化電感
很多電源設(shè)計者在設(shè)計好磁性元件后,把相關(guān)的技術(shù)要求提交給變壓器制作廠家時,往往要對漏感大小要求進行說明.在很多技術(shù)單上,標注著 “ 漏感 =1 %的磁化電感 ” 或 “ 漏感 <2 %的磁化電感 ” 等類似的技術(shù)要求.其實這種寫法或設(shè)計標準很不專業(yè).電源設(shè)計者應當根據(jù)電路正常工作要求 , 對所能接受的漏感值作一個數(shù)值限制.在制作變壓器的過程中,應在不使變壓器的其它參數(shù)(如匝間電容等)變差的情況下盡可能地減小漏感值,而非給出漏感與磁化電感的比例關(guān)系作為技術(shù)要求.因為漏感與磁化電感的關(guān)系隨變壓器有無氣隙變化很大.無氣隙時,漏感可能小于磁化電感的 0.1 % , 而在有氣隙時,即使變壓器繞組耦合得很緊密,漏感與磁化電感的比例關(guān)系卻可能達到 10 % [5] .
因此,不要把漏感與磁化電感的比例關(guān)系作為變壓器設(shè)計指標提供給磁性元件生產(chǎn)商.否則,這將表明你不理解漏感知識或并不真正關(guān)心實際的漏感值.正確的做法是規(guī)定清楚可以接受的漏感絕對數(shù)值,當然可以加上或減去一定的比例,這個比例的典型值為 20 %.
4 )漏感與磁芯磁導率有關(guān)系
有些電源設(shè)計者認為,給繞組加上磁芯,會使繞組耦合更緊密,可降低繞組間的漏感;也有些電源設(shè)計者認為,繞組加上磁芯后,磁芯會與繞組間的場相互耦合,可增加漏感量.
而事實是,在開關(guān)電源設(shè)計中,兩個同軸繞組變壓器的漏感與有無磁芯存在并無關(guān)系.這一結(jié)果可能令人無法理解,這是因為,一種相對磁導率為幾千的材料靠近線圈后,對漏感的影響很小.通過幾百組變壓器的實測結(jié)果表明,有無磁芯存在,漏感變化值基本上不會超過 10 %,很多變化只有 2 %左右.
5 )變壓器繞組電流密度的優(yōu)化值為 2A /mm2 ~ 3.1A /mm2
很多電源設(shè)計者在設(shè)計高頻磁性元件時,往往把繞組中的電流密度大小視為優(yōu)化設(shè)計的標準.其實優(yōu)化設(shè)計與繞組電流密度大小并沒有關(guān)系.真正有關(guān)系的是繞組中有多少損耗,以及散熱措施是否足夠保證溫升在允許的范圍之內(nèi).
我們可以設(shè)想一下開關(guān)電源中散熱措施的兩種極限情況.當散熱分別采用液浸和真空時,繞線中相應的電流密度會相差較大.
在開關(guān)電源的實際研制中,我們并不關(guān)心電流密度是多大,而關(guān)心的只是線包有多熱?溫升是否可以接受?
這種錯誤概念,是設(shè)計人員為了避免繁瑣的反復試算,而人為所加的限制,來簡化變量數(shù),從而簡化計算過程,但這一簡化并未說明應用條件.
6 )原邊繞組損耗 = 副邊繞組損耗 ”—— 優(yōu)化的變壓器設(shè)計
很多電源設(shè)計者認為優(yōu)化的變壓器設(shè)計對應著變壓器的原邊繞組損耗與副邊繞組損耗相等.甚至在很多磁性元件的設(shè)計書中也把此作為一個優(yōu)化設(shè)計的標準.其實這并非什么優(yōu)化設(shè)計的標準.在某些情況下變壓器的鐵損和銅損可能相近.但如果原邊繞組損耗與副邊繞組損耗相差較大也沒有多大關(guān)系.
必須再次強調(diào)的是,對于高頻磁性元件設(shè)計我們所關(guān)心的是在所使用的散熱方式下,繞組有多熱?原邊繞組損耗 = 副邊繞組損耗只是工頻變壓器設(shè)計的一種經(jīng)驗規(guī)則.
7 )繞組直徑小于穿透深度 —— 高頻損耗就會很小
繞組直徑小于穿透深度并不能代表就沒有很大的高頻損耗.如果變壓器繞組中有很多層,即使繞線采用線徑比穿透深度細得多的漆包線,也可能會因為有很強的鄰近效應而產(chǎn)生很大的高頻損耗.因此在考慮繞組損耗時,不能僅僅從漆包線的粗細來判斷損耗大小,要綜合考慮整個繞組結(jié)構(gòu)的安排,包括繞組繞制方式、繞組層數(shù)、繞線粗細等.
8 )正激式電路中變壓器的開路諧振頻率必須比開關(guān)頻率高得多
很多電源設(shè)計人員在設(shè)計和檢測變壓器時認為變壓器的開路諧振頻率必須比變換器的開關(guān)頻率高得多.其實不然,變壓器的開路諧振頻率與開關(guān)頻率的大小并無關(guān)系.我們可以設(shè)想一下極限情況:對于理想磁芯,其電感量無窮大,但也會有一個相對很小的匝間電容,其諧振頻率近似為零,比開關(guān)頻率小得多.
真正與電路有關(guān)系的是變壓器的短路諧振頻率.一般情況下,變壓器的短路諧振頻率都應當在開關(guān)頻率的兩個數(shù)量級以上.
3 結(jié)語
為了使電源設(shè)計者在電源設(shè)計過程中,少犯同樣的錯誤,就我們在開關(guān)電源的研發(fā)中遇到的一些與高頻磁性元件設(shè)計相關(guān)的概念性問題進行了總結(jié),希望能起到拋磚引玉的作用.
開關(guān)電源中高頻磁性元件的設(shè)計對于電路的正常工作和各項性能指標的實現(xiàn)非常關(guān)鍵.加之高頻磁性元件設(shè)計包括很多細節(jié)知識點,而這些細節(jié)內(nèi)容很難被一本或幾本所謂的“ 設(shè)計大全 ” 一一羅列清楚 [1 - 3] .為了優(yōu)化設(shè)計高頻磁性元件,必須根據(jù)應用場合,綜合考慮多個設(shè)計變量,反復計算調(diào)整.正由于此,高頻磁性元件設(shè)計一直是令初涉電源領(lǐng)域的設(shè)計人員頭疼的難題,乃至是困擾有多年工作經(jīng)驗的電源工程師的問題.
很多文獻及相關(guān)技術(shù)資料給出的磁性元件設(shè)計方法或公式往往直接忽略了某些設(shè)計變量的影響,作了假設(shè)簡化后得出一套公式;或者并未交代清楚公式的應用條件,甚至有些文獻所傳達的信息本身就不正確.很多電源設(shè)計者并沒有意識到這一點,直接套用設(shè)計手冊中的公式,或把設(shè)計手冊中某些話斷章取義,尊為 “ 設(shè)計綱領(lǐng) ” ,而沒有進行透徹的分析和思考,以及實驗的驗證.其結(jié)果往往是設(shè)計出來的高頻磁性元件不能滿足應用場合的要求,影響了研發(fā)的進度和項目的按期完成.
為了使電源設(shè)計者在設(shè)計過程中,避免犯同樣的錯誤,為此,我們針對在學習和研發(fā)中遇到的一些概念性的問題進行了總結(jié),希望能給大家提供一個借鑒.
2 一些錯誤概念的辨析
這里以小標題形式給出開關(guān)電源高頻磁性元件設(shè)計中 8 種常見的錯誤概念,并加以詳細的辨析.
1 )填滿磁芯窗口 —— 優(yōu)化的設(shè)計
很多電源設(shè)計人員認為在高頻磁性元件設(shè)計中,填滿磁芯窗口可以獲得最優(yōu)設(shè)計,其實不然.在多例高頻變壓器和電感的設(shè)計中,我們可以發(fā)現(xiàn)多增加一層或幾層繞組,或采用更大線徑的漆包線,不但不能獲得優(yōu)化的效果,反而會因為繞線中的鄰近效應而增大繞組總損耗.因此在高頻磁性元件設(shè)計中,即使繞線沒把鐵芯窗口繞滿,只繞滿了窗口面積的 25 %,也沒有關(guān)系.不必非得想法設(shè)法填滿整個窗口面積.
這種錯誤概念主要是受工頻磁性元件設(shè)計的影響.在工頻變壓器設(shè)計中,強調(diào)鐵芯和繞組的整體性,因而不希望鐵芯與繞組中間有間隙,一般都設(shè)計成繞組填滿整個窗口,從而保證其機械穩(wěn)定性.但高頻磁性元件設(shè)計并沒有這個要求.
2 ) “ 鐵損 = 銅損 ”—— 優(yōu)化的變壓器設(shè)計
很多電源設(shè)計者,甚至在很多磁性元件設(shè)計參考書中都把 “ 鐵損 = 銅損 ” 列為高頻變壓器優(yōu)化設(shè)計的標準之一,其實不然.在高頻變壓器的設(shè)計中,鐵損和銅損可以相差較大,有時兩者差別甚至可以達到一個數(shù)量級之大,但這并不代表該高頻變壓器設(shè)計不好 [4] .
這種錯誤概念也是受工頻變壓器設(shè)計的影響.工頻變壓器往往因為繞組匝數(shù)較多,所占面積較大,因而從熱穩(wěn)定、熱均勻角度出發(fā),得出 “ 鐵損 = 銅損 ” 這一經(jīng)驗設(shè)計規(guī)則.但對于高頻變壓器,采用非常細的漆包線作為繞組,這一經(jīng)驗法則并不成立.在開關(guān)電源高頻變壓器設(shè)計中,確定優(yōu)化設(shè)計有很多因素,而 “ 鐵損 = 銅損 ” 其實是最少受關(guān)注的一個方面.
3 )漏感 =1 %的磁化電感
很多電源設(shè)計者在設(shè)計好磁性元件后,把相關(guān)的技術(shù)要求提交給變壓器制作廠家時,往往要對漏感大小要求進行說明.在很多技術(shù)單上,標注著 “ 漏感 =1 %的磁化電感 ” 或 “ 漏感 <2 %的磁化電感 ” 等類似的技術(shù)要求.其實這種寫法或設(shè)計標準很不專業(yè).電源設(shè)計者應當根據(jù)電路正常工作要求 , 對所能接受的漏感值作一個數(shù)值限制.在制作變壓器的過程中,應在不使變壓器的其它參數(shù)(如匝間電容等)變差的情況下盡可能地減小漏感值,而非給出漏感與磁化電感的比例關(guān)系作為技術(shù)要求.因為漏感與磁化電感的關(guān)系隨變壓器有無氣隙變化很大.無氣隙時,漏感可能小于磁化電感的 0.1 % , 而在有氣隙時,即使變壓器繞組耦合得很緊密,漏感與磁化電感的比例關(guān)系卻可能達到 10 % [5] .
因此,不要把漏感與磁化電感的比例關(guān)系作為變壓器設(shè)計指標提供給磁性元件生產(chǎn)商.否則,這將表明你不理解漏感知識或并不真正關(guān)心實際的漏感值.正確的做法是規(guī)定清楚可以接受的漏感絕對數(shù)值,當然可以加上或減去一定的比例,這個比例的典型值為 20 %.
4 )漏感與磁芯磁導率有關(guān)系
有些電源設(shè)計者認為,給繞組加上磁芯,會使繞組耦合更緊密,可降低繞組間的漏感;也有些電源設(shè)計者認為,繞組加上磁芯后,磁芯會與繞組間的場相互耦合,可增加漏感量.
而事實是,在開關(guān)電源設(shè)計中,兩個同軸繞組變壓器的漏感與有無磁芯存在并無關(guān)系.這一結(jié)果可能令人無法理解,這是因為,一種相對磁導率為幾千的材料靠近線圈后,對漏感的影響很小.通過幾百組變壓器的實測結(jié)果表明,有無磁芯存在,漏感變化值基本上不會超過 10 %,很多變化只有 2 %左右.
5 )變壓器繞組電流密度的優(yōu)化值為 2A /mm2 ~ 3.1A /mm2
很多電源設(shè)計者在設(shè)計高頻磁性元件時,往往把繞組中的電流密度大小視為優(yōu)化設(shè)計的標準.其實優(yōu)化設(shè)計與繞組電流密度大小并沒有關(guān)系.真正有關(guān)系的是繞組中有多少損耗,以及散熱措施是否足夠保證溫升在允許的范圍之內(nèi).
我們可以設(shè)想一下開關(guān)電源中散熱措施的兩種極限情況.當散熱分別采用液浸和真空時,繞線中相應的電流密度會相差較大.
在開關(guān)電源的實際研制中,我們并不關(guān)心電流密度是多大,而關(guān)心的只是線包有多熱?溫升是否可以接受?
這種錯誤概念,是設(shè)計人員為了避免繁瑣的反復試算,而人為所加的限制,來簡化變量數(shù),從而簡化計算過程,但這一簡化并未說明應用條件.
6 )原邊繞組損耗 = 副邊繞組損耗 ”—— 優(yōu)化的變壓器設(shè)計
很多電源設(shè)計者認為優(yōu)化的變壓器設(shè)計對應著變壓器的原邊繞組損耗與副邊繞組損耗相等.甚至在很多磁性元件的設(shè)計書中也把此作為一個優(yōu)化設(shè)計的標準.其實這并非什么優(yōu)化設(shè)計的標準.在某些情況下變壓器的鐵損和銅損可能相近.但如果原邊繞組損耗與副邊繞組損耗相差較大也沒有多大關(guān)系.
必須再次強調(diào)的是,對于高頻磁性元件設(shè)計我們所關(guān)心的是在所使用的散熱方式下,繞組有多熱?原邊繞組損耗 = 副邊繞組損耗只是工頻變壓器設(shè)計的一種經(jīng)驗規(guī)則.
7 )繞組直徑小于穿透深度 —— 高頻損耗就會很小
繞組直徑小于穿透深度并不能代表就沒有很大的高頻損耗.如果變壓器繞組中有很多層,即使繞線采用線徑比穿透深度細得多的漆包線,也可能會因為有很強的鄰近效應而產(chǎn)生很大的高頻損耗.因此在考慮繞組損耗時,不能僅僅從漆包線的粗細來判斷損耗大小,要綜合考慮整個繞組結(jié)構(gòu)的安排,包括繞組繞制方式、繞組層數(shù)、繞線粗細等.
8 )正激式電路中變壓器的開路諧振頻率必須比開關(guān)頻率高得多
很多電源設(shè)計人員在設(shè)計和檢測變壓器時認為變壓器的開路諧振頻率必須比變換器的開關(guān)頻率高得多.其實不然,變壓器的開路諧振頻率與開關(guān)頻率的大小并無關(guān)系.我們可以設(shè)想一下極限情況:對于理想磁芯,其電感量無窮大,但也會有一個相對很小的匝間電容,其諧振頻率近似為零,比開關(guān)頻率小得多.
真正與電路有關(guān)系的是變壓器的短路諧振頻率.一般情況下,變壓器的短路諧振頻率都應當在開關(guān)頻率的兩個數(shù)量級以上.
3 結(jié)語
為了使電源設(shè)計者在電源設(shè)計過程中,少犯同樣的錯誤,就我們在開關(guān)電源的研發(fā)中遇到的一些與高頻磁性元件設(shè)計相關(guān)的概念性問題進行了總結(jié),希望能起到拋磚引玉的作用.
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