開關(guān)電源中高頻磁性元件設(shè)計(jì)常見錯(cuò)誤概念
1 引言
開關(guān)電源中高頻磁性元件的設(shè)計(jì)對(duì)于電路的正常工作和各項(xiàng)性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)非常關(guān)鍵.加之高頻磁性元件設(shè)計(jì)包括很多細(xì)節(jié)知識(shí)點(diǎn),而這些細(xì)節(jié)內(nèi)容很難被一本或幾本所謂的“ 設(shè)計(jì)大全 ” 一一羅列清楚 [1 - 3] .為了優(yōu)化設(shè)計(jì)高頻磁性元件,必須根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合,綜合考慮多個(gè)設(shè)計(jì)變量,反復(fù)計(jì)算調(diào)整.正由于此,高頻磁性元件設(shè)計(jì)一直是令初涉電源領(lǐng)域的設(shè)計(jì)人員頭疼的難題,乃至是困擾有多年工作經(jīng)驗(yàn)的電源工程師的問題.
很多文獻(xiàn)及相關(guān)技術(shù)資料給出的磁性元件設(shè)計(jì)方法或公式往往直接忽略了某些設(shè)計(jì)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(yīng)用條件,甚至有些文獻(xiàn)所傳達(dá)的信息本身就不正確.很多電源設(shè)計(jì)者并沒有意識(shí)到這一點(diǎn),直接套用設(shè)計(jì)手冊(cè)中的公式,或把設(shè)計(jì)手冊(cè)中某些話斷章取義,尊為 “ 設(shè)計(jì)綱領(lǐng) ” ,而沒有進(jìn)行透徹的分析和思考,以及實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證.其結(jié)果往往是設(shè)計(jì)出來的高頻磁性元件不能滿足應(yīng)用場(chǎng)合的要求,影響了研發(fā)的進(jìn)度和項(xiàng)目的按期完成.
為了使電源設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過程中,避免犯同樣的錯(cuò)誤,為此,我們針對(duì)在學(xué)習(xí)和研發(fā)中遇到的一些概念性的問題進(jìn)行了總結(jié),希望能給大家提供一個(gè)借鑒.
2 一些錯(cuò)誤概念的辨析
這里以小標(biāo)題形式給出開關(guān)電源高頻磁性元件設(shè)計(jì)中 8 種常見的錯(cuò)誤概念,并加以詳細(xì)的辨析.
1 )填滿磁芯窗口 —— 優(yōu)化的設(shè)計(jì)
很多電源設(shè)計(jì)人員認(rèn)為在高頻磁性元件設(shè)計(jì)中,填滿磁芯窗口可以獲得最優(yōu)設(shè)計(jì),其實(shí)不然.在多例高頻變壓器和電感的設(shè)計(jì)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(huì)因?yàn)槔@線中的鄰近效應(yīng)而增大繞組總損耗.因此在高頻磁性元件設(shè)計(jì)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(gè)窗口面積.
這種錯(cuò)誤概念主要是受工頻磁性元件設(shè)計(jì)的影響.在工頻變壓器設(shè)計(jì)中,強(qiáng)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(jì)成繞組填滿整個(gè)窗口,從而保證其機(jī)械穩(wěn)定性.但高頻磁性元件設(shè)計(jì)并沒有這個(gè)要求.
2 ) “ 鐵損 = 銅損 ”—— 優(yōu)化的變壓器設(shè)計(jì)
很多電源設(shè)計(jì)者,甚至在很多磁性元件設(shè)計(jì)參考書中都把 “ 鐵損 = 銅損 ” 列為高頻變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)之一,其實(shí)不然.在高頻變壓器的設(shè)計(jì)中,鐵損和銅損可以相差較大,有時(shí)兩者差別甚至可以達(dá)到一個(gè)數(shù)量級(jí)之大,但這并不代表該高頻變壓器設(shè)計(jì)不好 [4] .
這種錯(cuò)誤概念也是受工頻變壓器設(shè)計(jì)的影響.工頻變壓器往往因?yàn)槔@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(yàn)設(shè)計(jì)規(guī)則.但對(duì)于高頻變壓器,采用非常細(xì)的漆包線作為繞組,這一經(jīng)驗(yàn)法則并不成立.在開關(guān)電源高頻變壓器設(shè)計(jì)中,確定優(yōu)化設(shè)計(jì)有很多因素,而 “ 鐵損 = 銅損 ” 其實(shí)是最少受關(guān)注的一個(gè)方面.
3 )漏感 =1 %的磁化電感
很多電源設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)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(shí),往往要對(duì)漏感大小要求進(jìn)行說明.在很多技術(shù)單上,標(biāo)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(shí)這種寫法或設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)很不專業(yè).電源設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)根據(jù)電路正常工作要求 , 對(duì)所能接受的漏感值作一個(gè)數(shù)值限制.在制作變壓器的過程中,應(yīng)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?yàn)槁└信c磁化電感的關(guān)系隨變壓器有無氣隙變化很大.無氣隙時(shí),漏感可能小于磁化電感的 0.1 % , 而在有氣隙時(shí),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(dá)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(jì)指標(biāo)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(shí)或并不真正關(guān)心實(shí)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(duì)數(shù)值,當(dāng)然可以加上或減去一定的比例,這個(gè)比例的典型值為 20 %.
4 )漏感與磁芯磁導(dǎo)率有關(guān)系
有些電源設(shè)計(jì)者認(rèn)為,給繞組加上磁芯,會(huì)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(jì)者認(rèn)為,繞組加上磁芯后,磁芯會(huì)與繞組間的場(chǎng)相互耦合,可增加漏感量.
而事實(shí)是,在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中,兩個(gè)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?yàn)?一種相對(duì)磁導(dǎo)率為幾千的材料靠近線圈后,對(duì)漏感的影響很小.通過幾百組變壓器的實(shí)測(cè)結(jié)果表明,有無磁芯存在,漏感變化值基本上不會(huì)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(jì)者在設(shè)計(jì)高頻磁性元件時(shí),往往把繞組中的電流密度大小視為優(yōu)化設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn).其實(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(dāng)散熱分別采用液浸和真空時(shí),繞線中相應(yīng)的電流密度會(huì)相差較大.
在開關(guān)電源的實(shí)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(cuò)誤概念,是設(shè)計(jì)人員為了避免繁瑣的反復(fù)試算,而人為所加的限制,來簡化變量數(shù),從而簡化計(jì)算過程,但這一簡化并未說明應(yīng)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(jì)
很多電源設(shè)計(jì)者認(rèn)為優(yōu)化的變壓器設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)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(jì)書中也把此作為一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn).其實(shí)這并非什么優(yōu)化設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn).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(qiáng)調(diào)的是,對(duì)于高頻磁性元件設(shè)計(jì)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(jì)的一種經(jīng)驗(yàn)規(guī)則.
7 )繞組直徑小于穿透深度 —— 高頻損耗就會(huì)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(xì)得多的漆包線,也可能會(huì)因?yàn)橛泻軓?qiáng)的鄰近效應(yīng)而產(chǎn)生很大的高頻損耗.因此在考慮繞組損耗時(shí),不能僅僅從漆包線的粗細(xì)來判斷損耗大小,要綜合考慮整個(gè)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(xì)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(jì)人員在設(shè)計(jì)和檢測(cè)變壓器時(shí)認(rèn)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(shí)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(duì)于理想磁芯,其電感量無窮大,但也會(huì)有一個(gè)相對(duì)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(yīng)當(dāng)在開關(guān)頻率的兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上.
3 結(jié)語
為了使電源設(shè)計(jì)者在電源設(shè)計(jì)過程中,少犯同樣的錯(cuò)誤,就我們?cè)?a href="http://www.ezad.cc" target=_blank>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(jì)相關(guān)的概念性問題進(jìn)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(jì)對(duì)于電路的正常工作和各項(xiàng)性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)非常關(guān)鍵.加之高頻磁性元件設(shè)計(jì)包括很多細(xì)節(jié)知識(shí)點(diǎn),而這些細(xì)節(jié)內(nèi)容很難被一本或幾本所謂的“ 設(shè)計(jì)大全 ” 一一羅列清楚 [1 - 3] .為了優(yōu)化設(shè)計(jì)高頻磁性元件,必須根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合,綜合考慮多個(gè)設(shè)計(jì)變量,反復(fù)計(jì)算調(diào)整.正由于此,高頻磁性元件設(shè)計(jì)一直是令初涉電源領(lǐng)域的設(shè)計(jì)人員頭疼的難題,乃至是困擾有多年工作經(jīng)驗(yàn)的電源工程師的問題.
很多文獻(xiàn)及相關(guān)技術(shù)資料給出的磁性元件設(shè)計(jì)方法或公式往往直接忽略了某些設(shè)計(jì)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(yīng)用條件,甚至有些文獻(xiàn)所傳達(dá)的信息本身就不正確.很多電源設(shè)計(jì)者并沒有意識(shí)到這一點(diǎn),直接套用設(shè)計(jì)手冊(cè)中的公式,或把設(shè)計(jì)手冊(cè)中某些話斷章取義,尊為 “ 設(shè)計(jì)綱領(lǐng) ” ,而沒有進(jìn)行透徹的分析和思考,以及實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證.其結(jié)果往往是設(shè)計(jì)出來的高頻磁性元件不能滿足應(yīng)用場(chǎng)合的要求,影響了研發(fā)的進(jìn)度和項(xiàng)目的按期完成.
為了使電源設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過程中,避免犯同樣的錯(cuò)誤,為此,我們針對(duì)在學(xué)習(xí)和研發(fā)中遇到的一些概念性的問題進(jìn)行了總結(jié),希望能給大家提供一個(gè)借鑒.
2 一些錯(cuò)誤概念的辨析
這里以小標(biāo)題形式給出開關(guān)電源高頻磁性元件設(shè)計(jì)中 8 種常見的錯(cuò)誤概念,并加以詳細(xì)的辨析.
1 )填滿磁芯窗口 —— 優(yōu)化的設(shè)計(jì)
很多電源設(shè)計(jì)人員認(rèn)為在高頻磁性元件設(shè)計(jì)中,填滿磁芯窗口可以獲得最優(yōu)設(shè)計(jì),其實(shí)不然.在多例高頻變壓器和電感的設(shè)計(jì)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(huì)因?yàn)槔@線中的鄰近效應(yīng)而增大繞組總損耗.因此在高頻磁性元件設(shè)計(jì)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(gè)窗口面積.
這種錯(cuò)誤概念主要是受工頻磁性元件設(shè)計(jì)的影響.在工頻變壓器設(shè)計(jì)中,強(qiáng)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(jì)成繞組填滿整個(gè)窗口,從而保證其機(jī)械穩(wěn)定性.但高頻磁性元件設(shè)計(jì)并沒有這個(gè)要求.
2 ) “ 鐵損 = 銅損 ”—— 優(yōu)化的變壓器設(shè)計(jì)
很多電源設(shè)計(jì)者,甚至在很多磁性元件設(shè)計(jì)參考書中都把 “ 鐵損 = 銅損 ” 列為高頻變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)之一,其實(shí)不然.在高頻變壓器的設(shè)計(jì)中,鐵損和銅損可以相差較大,有時(shí)兩者差別甚至可以達(dá)到一個(gè)數(shù)量級(jí)之大,但這并不代表該高頻變壓器設(shè)計(jì)不好 [4] .
這種錯(cuò)誤概念也是受工頻變壓器設(shè)計(jì)的影響.工頻變壓器往往因?yàn)槔@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(yàn)設(shè)計(jì)規(guī)則.但對(duì)于高頻變壓器,采用非常細(xì)的漆包線作為繞組,這一經(jīng)驗(yàn)法則并不成立.在開關(guān)電源高頻變壓器設(shè)計(jì)中,確定優(yōu)化設(shè)計(jì)有很多因素,而 “ 鐵損 = 銅損 ” 其實(shí)是最少受關(guān)注的一個(gè)方面.
3 )漏感 =1 %的磁化電感
很多電源設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)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(shí),往往要對(duì)漏感大小要求進(jìn)行說明.在很多技術(shù)單上,標(biāo)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(shí)這種寫法或設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)很不專業(yè).電源設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)根據(jù)電路正常工作要求 , 對(duì)所能接受的漏感值作一個(gè)數(shù)值限制.在制作變壓器的過程中,應(yīng)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?yàn)槁└信c磁化電感的關(guān)系隨變壓器有無氣隙變化很大.無氣隙時(shí),漏感可能小于磁化電感的 0.1 % , 而在有氣隙時(shí),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(dá)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(jì)指標(biāo)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(shí)或并不真正關(guān)心實(shí)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(duì)數(shù)值,當(dāng)然可以加上或減去一定的比例,這個(gè)比例的典型值為 20 %.
4 )漏感與磁芯磁導(dǎo)率有關(guān)系
有些電源設(shè)計(jì)者認(rèn)為,給繞組加上磁芯,會(huì)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(jì)者認(rèn)為,繞組加上磁芯后,磁芯會(huì)與繞組間的場(chǎng)相互耦合,可增加漏感量.
而事實(shí)是,在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中,兩個(gè)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?yàn)?一種相對(duì)磁導(dǎo)率為幾千的材料靠近線圈后,對(duì)漏感的影響很小.通過幾百組變壓器的實(shí)測(cè)結(jié)果表明,有無磁芯存在,漏感變化值基本上不會(huì)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(jì)者在設(shè)計(jì)高頻磁性元件時(shí),往往把繞組中的電流密度大小視為優(yōu)化設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn).其實(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(dāng)散熱分別采用液浸和真空時(shí),繞線中相應(yīng)的電流密度會(huì)相差較大.
在開關(guān)電源的實(shí)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(cuò)誤概念,是設(shè)計(jì)人員為了避免繁瑣的反復(fù)試算,而人為所加的限制,來簡化變量數(shù),從而簡化計(jì)算過程,但這一簡化并未說明應(yīng)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(jì)
很多電源設(shè)計(jì)者認(rèn)為優(yōu)化的變壓器設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)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(jì)書中也把此作為一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn).其實(shí)這并非什么優(yōu)化設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn).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(qiáng)調(diào)的是,對(duì)于高頻磁性元件設(shè)計(jì)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(jì)的一種經(jīng)驗(yàn)規(guī)則.
7 )繞組直徑小于穿透深度 —— 高頻損耗就會(huì)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(xì)得多的漆包線,也可能會(huì)因?yàn)橛泻軓?qiáng)的鄰近效應(yīng)而產(chǎn)生很大的高頻損耗.因此在考慮繞組損耗時(shí),不能僅僅從漆包線的粗細(xì)來判斷損耗大小,要綜合考慮整個(gè)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(xì)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(jì)人員在設(shè)計(jì)和檢測(cè)變壓器時(shí)認(rèn)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(shí)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(duì)于理想磁芯,其電感量無窮大,但也會(huì)有一個(gè)相對(duì)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(yīng)當(dāng)在開關(guān)頻率的兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上.
3 結(jié)語
為了使電源設(shè)計(jì)者在電源設(shè)計(jì)過程中,少犯同樣的錯(cuò)誤,就我們?cè)?a href="http://www.ezad.cc" target=_blank>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(jì)相關(guān)的概念性問題進(jìn)行了總結(jié),希望能起到拋磚引玉的作用.
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