一、傳統(tǒng)變壓器篇
單路輸出 Flyback 及常見的變壓器繞組結(jié)構(gòu)
紅色:初級繞組
紫色:輔助繞組
黃色:次級繞組
特點:輔助繞組位夾在初級、次級中間
缺點:
1, 臨近效應(yīng)很強,繞組交流損耗大
2, 初、次級間的漏感較大,吸收回路損耗較大,效率較低
優(yōu)點:
1,工藝結(jié)構(gòu)十分簡單,易于制造
2,初級外層接電位靜止的V+端,易于實現(xiàn)無Y
改進的 Flyback 變壓器繞組結(jié)構(gòu)(簡易型)
紅色:初級繞組
紫色:輔助繞組
黃色:次級繞組
特點:輔助繞組位于線包最里層,初級在中間、次級在最外邊
缺點:臨近效應(yīng)很強,繞組交流損耗大
優(yōu)點:
1,工藝結(jié)構(gòu)十分簡單,易于制造
2,初級外層接電位靜止的V+端,易于實現(xiàn)無Y
3, 初次級間漏感較小,吸收回路損耗較小,效率較高
改進的 Flyback 變壓器繞組結(jié)構(gòu)(三明治型)
紅色:初級繞組
紫色:輔助繞組
黃色:次級繞組
特點:輔助繞組位于線包最里層,然后分別是初級的一半,次級全部,初級的另一半;
缺點:
1, 次級臨近效應(yīng)很強,繞組交流損耗大
2,初級的一半繞組沒有任何的靜電位層供屏蔽用,無法實現(xiàn)無Y
優(yōu)點:
1, 工藝結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不利于制造;
2, 初次級間漏感較小,吸收回路損耗較小,效率較高
3, 初級臨近效應(yīng)較小,繞組交流損耗小
Flyback 多路輸出
L3 與L4 之間的漏感,引起交叉調(diào)整。
實用的多路輸出型
高壓輸出繞組疊在低壓繞組之上,雙線并繞降低交叉調(diào)整
功率傳輸變壓器(含正激、推挽、半橋、全橋)
合理的繞組結(jié)構(gòu), 層厚小于2Δ
紅色:初級繞組
紫色:輔助繞組
黃色:次級繞組
實際變壓器的模型
虛線內(nèi)為理想變壓器
脈沖變壓器信號傳輸失真
由于原邊及幅邊漏感,電阻分量的存在,脈沖在經(jīng)過變壓器后,產(chǎn)生延遲、斜率變緩、振鈴、頂降
脈沖電流的分解
脈沖電流由基波電流及各高次諧波電流組成
占空比越小,基波分量越小,高次諧波分量越大,因此線徑的選擇(穿透深度*2)不能只考慮基波電流的頻率
輸出功率與頻率的關(guān)系(EE25 單端變換器為例)
理論上,對于指定的磁芯,在相同的磁密下,輸出功率與頻率呈正比,但實際上并非如此,
原因有:
1, 頻率升高,穿透深度下降,需要用較小的線徑,窗口利用率下降,且繞組層厚與穿透深度的比值增大,交流電阻大增,有效輸出功率下降;
2, 頻率增加,絕緣材料的耐壓下降,為保證同樣的絕緣強度,需要加大絕緣層厚度,進一步降低窗口利用率;
3, 頻率到達某一程度后,磁芯損耗大增,需要適當降底磁通密度(具體請參考磁損表)
LLC 變壓器
LLC 電路結(jié)構(gòu)
LLC 集成磁件
漏感由原邊與副邊之間的檔墻寬度、磁芯的磁導(dǎo)率、以及中柱長度與窗口高度的比值決定
紅色:初級繞組
黃色:次級繞組
小漏感的 LLC 集成磁件
個別應(yīng)用中,需要用到較小的漏感,擋墻的寬度較小,安全間距可利用下面的結(jié)構(gòu)來滿足。
紅色:初級繞組
黃色:次級繞組
其它減小漏感的方法:
1, 磁芯的磁導(dǎo)率,換用高導(dǎo)的磁芯,漏感會減?。?/p>
2, 減小中柱長度與窗口高度(指上圖中窗口的水平方向)的比值,漏感會減小
3, 采用逆磁性材料代替順磁性材料制作檔
增大漏感的方法:
1, 換用低導(dǎo)的磁芯
2, 增大中柱長度與窗口高度的比值
3, 用弱鐵磁性的材料制作檔墻, 如混有磁粉的注塑墊片,可以大幅度降低檔墻的占窗面積,增加變壓器出力,具體實施需要考慮經(jīng)濟性;
大功率的 LLC 變壓器
LLC 磁集成變壓器的問題:由于初次級繞組產(chǎn)生的磁場是獨立分布的,各自的臨近效應(yīng)很強,不利于大功率應(yīng)用場合,而且氣隙處的EMI 很不好處理,因此需要將漏感獨立出去。
中功率的 LLC 集中參數(shù)變壓器,按正弦變壓器設(shè)計,可采用簡單繞制工藝
紅色:初級繞組
黃色:次級繞組
大功率的 LLC 集中參數(shù)變壓器,按正弦變壓器設(shè)計,需要采用夾層工藝,中各初次級繞組磁場的磁場,降低臨近效應(yīng),保證最小的交流電阻
紅色:初級繞組
黃色:次級繞組
二、高功率密度變壓器
為了直觀,我們將一個EE85 磁芯,在2000GS 磁密,25KHz 頻率下,不同電流密度時的效率、輸出功率,銅損鐵損比繪在同一表格內(nèi)(注意:因為寬度不夠,電流密度在10 以上比例不同。)
可以發(fā)現(xiàn),電流密度在3-6A/mm2 范圍內(nèi),變壓器效率達到98.5%以上,而要滿足98%的效率,電流密度的范圍達到2-10A/mm2。
由于鐵損基本固定,而銅損與輸出功率的平方成正比,因此高功率密度變壓器的實現(xiàn),主要是解決繞組的散熱問題,但應(yīng)用中的方向卻是相反的,我們所見到的高功率密度變壓器,都是將繞組的熱量“悶”在磁件的內(nèi)部,繞組的熱阻比較大,不利于提高功率密度,如PQ,PM,以及平面變壓器。
高功率密度變壓器的解決措施
思路:強制對繞組進行冷卻
1、液冷法,低壓繞組利用中空的管狀銅材料制作,用微形液壓泵為低壓繞組提供冷卻循環(huán)液,可用變壓器油。高壓繞組的熱能,通過傳導(dǎo)散發(fā)到低壓繞組,由冷卻液一起帶走。
2、環(huán)形銅帶繞組,低壓繞組制成平面的環(huán)狀,一個環(huán)為一匝,環(huán)的厚度為2~3 倍穿透深度,初級繞組線徑為1~1.5 倍穿透深度,這樣的組合交流電阻很小。圖例中的 6 個環(huán),,通過不同的鉚接,可組合為6 匝,3 匝,2 匝及1 匝四種連接方式。環(huán)的倒角部份,通過云母片與散熱器(可加風(fēng)扇)連接散熱,解決繞組的發(fā)熱問題
3, 環(huán)形變壓器
環(huán)形變壓器具有夸張的繞組散熱面積,是一種很好的散熱結(jié)構(gòu)。但由于磁芯的最佳工作溫度約90 度,要求繞組表面溫度要適當小于90 度,否則磁芯溫度會過高。加上環(huán)形高導(dǎo)磁件容易飽合,可用的磁密較小,因此功率密度的提高受到限制。
4,增加變壓器的整體表面積如平面變壓器,通過將變壓器壓扁,提高表面積與體積的比值,降低熱阻,獲得較高的功率密度
5,王氏多磁路變壓器
將多個小型磁件組合,通過接近 2 倍的繞組數(shù)量,大幅度提高變壓器繞組自身的散熱能力,達到高功率密度
為簡單起見,僅以兩付磁芯拼合為例,實際應(yīng)用中為更多的磁芯拼合為多磁路變壓器。
1, 繞組數(shù)量增加為由N 增加為2N-1(N 為組合磁芯的數(shù)量),繞組總(散熱)表面積增大;
2,每個繞組的厚度減半,在同等溫升及冷卻條件下,允許1.414 倍的電流密度
3,可以方便實現(xiàn)1/2, 1/3,1/4, 1/5 甚至更小的分數(shù)匝,利于讓磁芯工作在最佳的磁通密度下(通常情況下,我們常常會受此困擾,如有時用1600GS 需要2.3 匝,一般只好取2 匝,然后磁密提高到1840GS, 或是降低一些占空比,很是麻煩)
4, 因為精確的分數(shù)匝,利于多組輸出的精確電壓分布(利用同步整流及電子變壓器定變比變換技術(shù))
優(yōu)化的多磁路變壓器及磁芯
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