直流穩(wěn)壓電源平面變壓器的應(yīng)用
2017-6-23 11:43:08??????點(diǎn)擊：
導(dǎo)讀
"短 ,小 ,輕 ,薄"是當(dāng)今開關(guān)直流穩(wěn)壓電源發(fā)展的主要趨勢之一,其最主要的實(shí)現(xiàn)手段就是提高功率密度和采用低造型及體積和重量小的元器件.常規(guī)的變壓器在直流穩(wěn)壓電源中暴露出諸多限制.由于變壓器涉及到的主要參數(shù)有直流穩(wěn)壓電源電壓,直流穩(wěn)壓電源電流,頻率,匝比 溫度,磁芯 u 值,漏感,損耗 ,外形,尺寸等,所以一直無法像其它電子元件那樣有現(xiàn) 成的變壓器可供選用,常常要經(jīng)過繁鎖的計(jì)算來選擇磁芯和繞組導(dǎo)線;而且制做方 式對變壓器性能有很大的影響,加之變壓器的許多參數(shù)不易測量,給使用者帶來一 定的盲目性,很難在頻率響應(yīng),漏感體積和散熱等方面達(dá)到滿意的效果.
采用直流穩(wěn)壓電源平面變壓器可以顯著降低變壓器的高度,減小體積和重量,提高變壓器的 功率密度及開關(guān)直流穩(wěn)壓電源的性能,從而成為實(shí)現(xiàn)開關(guān)直流穩(wěn)壓電源"短 ,小 ,輕 ,薄 " 的重要手段 .
市場主要被國外控制,他們早已采用扁平狀導(dǎo)體可降低繞組集膚和臨近效應(yīng)的損耗,且可以控制如漏電感等寄生參數(shù)的大小,尤其適用于空間或高度存在限 制或?qū)?jié)能及散熱要求苛刻的環(huán)境.
而當(dāng)前直流穩(wěn)壓電源PCB 變壓器的難點(diǎn)在于:1)尋找薄直流穩(wěn)壓電源PCB絕緣基材和厚銅箔(大于70um)的 直流穩(wěn)壓電源PCB,要求每層直流穩(wěn)壓電源PCB厚度小于0.4mm, 才能滿足繞組的多層(4-12層)低高度(2-3mm)要 求.2)大直流穩(wěn)壓電源電流時(shí)銅箔的發(fā)熱是否會(huì)引起銅箔與絕緣基材的分層.3)為保證產(chǎn)品的可 靠性,多層直流穩(wěn)壓電源PCB布板時(shí) 1500VDC的絕緣距離如何設(shè)計(jì)等等問題.
本人結(jié)合所看過的書籍及一個(gè)實(shí)例,對直流穩(wěn)壓電源平面變壓器的特性進(jìn)行了全面而簡單 的概述.分析并介紹了直流穩(wěn)壓電源平面變壓器的幾種簡單的設(shè)計(jì)方案,及其運(yùn)用策略.簡單概括了當(dāng)今開關(guān)直流穩(wěn)壓電源中直流穩(wěn)壓電源平面變壓器的技術(shù)特性,原理及運(yùn)用.綜合了目前 同行在實(shí)際制作平面壓器過程及注意事項(xiàng),介紹并簡要分析了目前直流穩(wěn)壓電源平面變壓器的 設(shè)計(jì)方法及直流穩(wěn)壓電源PCB 繞組設(shè)計(jì).
1.直流穩(wěn)壓電源平面變壓器的結(jié)構(gòu)
直流穩(wěn)壓電源平面變壓器沒有漆包線繞組,而是將扁平的連續(xù)銅質(zhì)螺旋線刻蝕在印刷直流穩(wěn)壓電源電路板上,然后疊放在磁芯上,其典型的結(jié)構(gòu)如下圖:
高頻功率變換器適宜采用直流穩(wěn)壓電源平面變壓器是由于直流穩(wěn)壓電源平面變壓器有如下主要特性:
1)低造型,能量密度高,因而體積大為縮小;厚度遠(yuǎn)小于常規(guī)變壓器,適用 于表面貼裝方式組裝.
2)低損耗性,繞組由銅箔層構(gòu)成,同時(shí)整個(gè)變壓器可制成扁平狀,從而降低了集膚效應(yīng)的損耗.
3)低漏感,漏感一般均小于 0.2%(預(yù)估值),因此電磁干擾(EMI)輻射低,基 本不受外界電磁干擾的影響.
由于采用直流穩(wěn)壓電源PCB技術(shù)要比常規(guī)的變壓器更容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工,故有利于提高 變壓器繞組的一致性.另外,繞組的幾何形狀及其有關(guān)寄生特性限定在直流穩(wěn)壓電源PCB制造 公差之類(一般非常小).直流穩(wěn)壓電源平面變壓器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是提高了熱性能,由于其面 積與體積常規(guī)的相比,平面鐵芯的熱阻教小.
直流穩(wěn)壓電源平面變壓器的特性并不完全是優(yōu)點(diǎn). 直流穩(wěn)壓電源平面變壓器一,二次側(cè)繞組之間的間 距較小儲存磁能少,所以漏感也很小;但這樣使得一,二次側(cè)產(chǎn)生的寄生電容變 大. 另外,直流穩(wěn)壓電源PCB 繞組的可重現(xiàn)化特性是以增大鐵芯繞線窗中絕緣材料的比例為代價(jià),降低了銅填充系數(shù),限制了線圈匝數(shù).
2.高頻直流穩(wěn)壓電源PCB繞組
目前很多國內(nèi)外學(xué)者專家不斷對直流穩(wěn)壓電源平面變壓器各種繞組結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析并試圖 發(fā)現(xiàn)新的最佳繞組結(jié)構(gòu),來優(yōu)化直流穩(wěn)壓電源PCB板上的線權(quán)布局,力求繞組總直流電阻最小.
國外有些文獻(xiàn)對采用實(shí)心圓導(dǎo)線,利玆線,直流穩(wěn)壓電源PCB板和銅箔制成的各種繞組結(jié) 構(gòu)的500kHZ直流穩(wěn)壓電源平面變壓器的性能進(jìn)行了比較,得出直流穩(wěn)壓電源PCB繞組的交流電阻比實(shí)心圓導(dǎo) 線繞組低約10%-15%,比利玆線繞組高約15%, 但直流穩(wěn)壓電源PCB 繞組的漏電感均比實(shí)心導(dǎo) 線和利玆線繞組低.因此直流穩(wěn)壓電源平面變壓器大多采用直流穩(wěn)壓電源PCB板做成的繞組.
典型的扁平式變壓器副邊繞組有若干個(gè)并聯(lián)的線圈,每一個(gè)副邊繞組都和同 一個(gè)原邊繞組相耦合.所以,副邊繞組直流穩(wěn)壓電源電流產(chǎn)生的安匝數(shù)和原邊繞組產(chǎn)生的安匝 數(shù)相等(忽略勵(lì)磁直流穩(wěn)壓電源電流).這種特性使繞組直流穩(wěn)壓電源電流分配均等.
為提高直流穩(wěn)壓電源平面變壓器的功率水平,二次側(cè)繞組大多采用并聯(lián)形式,以提高直流穩(wěn)壓電源電流處理能力.但各繞組層之間的相對位置,連接方式或其他偶然因素的影響,都會(huì)造成各并聯(lián)繞組層間不均流,從而給繞組帶來附件損耗,制約了直流穩(wěn)壓電源平面變壓器在低 直流穩(wěn)壓電源電壓大直流穩(wěn)壓電源電流場合中的運(yùn)用另外直流穩(wěn)壓電源平面變壓器一,二次側(cè)繞組大多采用交織技術(shù)的繞組結(jié)構(gòu),削弱了臨近效應(yīng).其中IEEE成員有對各種繞組層交織方案進(jìn)行了分析 及仿真, 研究了并聯(lián)繞組額外損耗產(chǎn)生的原因,得出如下結(jié)論:
最優(yōu)繞組設(shè)計(jì)不僅要充分考慮直流穩(wěn)壓電源PCB板導(dǎo)體的厚度, 工作頻率及一,二次側(cè)繞組的相對安放位置,還要考慮并聯(lián)方式和絕緣厚度. 其中一種被推薦的繞組方式: 采用交叉結(jié)構(gòu)(S-P-S-P),即初次級繞組層交替疊 放:充分利用初,次級繞組的位置,將初級線圈放在次級線圈之間,其優(yōu)點(diǎn)在于:
1)漏感小,因?yàn)閮Υ嬖谧儔浩鞔翱谥械拇艌瞿芰啃?損耗也就相應(yīng)減少.
2)AC阻抗減小,因?yàn)樽儔浩鞔翱谥械拇磐芏菳的分布更具有一致性, 則繞組導(dǎo)體中的直流穩(wěn)壓電源電流密度分布一致性更好.
3)繞組之間的耦合性增強(qiáng).
平面直流穩(wěn)壓電源PCB繞組的設(shè)計(jì)在封裝體積很小的情況下,直流穩(wěn)壓電源電流密度可以做到 40A/mm*2 .
厚度及絕緣度:初,次級間隔直流穩(wěn)壓電源電壓高達(dá)40000V,絕緣強(qiáng)度很高.
3.繞組制作
直流穩(wěn)壓電源平面變壓器繞組的制作同樣可采用多種技術(shù),例如有常規(guī)用的直流穩(wěn)壓電源PCB板,柔性 基印制板和銅箔.材質(zhì)有: FR-4 , FR-1等.
采用常用直流穩(wěn)壓電源PCB技術(shù)可使平面繞組具有高度可重現(xiàn)化特性,且制作簡單.但其 缺點(diǎn)是窗口利用系數(shù)很低,通常為:0.25-0.3,這是因?yàn)閷?dǎo)體間的間距為:150um.
繞組層間的最小絕緣厚度為:100um .
為了提高窗口利用系數(shù),也可以用柔性基印制板或鍍銅的柔性基材料制作平面 變壓器繞組.因其絕緣厚度只需:50um ,故可將多層柔性基印制板疊放沖壓成一 個(gè)類似常規(guī)直流穩(wěn)壓電源PCB的剛性結(jié)構(gòu),制作成繞組就可提高窗口利用系數(shù).另因其材質(zhì)可以 直接通過折疊完成,避免了層間的連線連接. 采用折疊銅箔技術(shù)制作的繞組可應(yīng)用于大直流穩(wěn)壓電源電流場合,且成本低 . 其主要缺陷 是需額外提供絕緣層.
一個(gè)變壓器模塊包含兩只鐵氧體磁芯.變壓器模塊由一付正方形鐵氧體磁芯 組裝而成,兩只鐵氧體磁芯用環(huán)氧樹脂粘在一起.繞組再鑲?cè)朊總€(gè)磁芯內(nèi)部,粘 接在磁芯內(nèi)表面和輸出端的拐角處. 當(dāng)繞組通過磁芯后,接下來旋轉(zhuǎn)180度,往回繞. 所以,每一繞組的"始端"和"末端"都在磁芯的對向角上.
在制作直流穩(wěn)壓電源平面變壓器直流穩(wěn)壓電源PCB繞組時(shí)還要注意各繞組層間以及直流穩(wěn)壓電源PCB繞組與鐵芯之間 的絕緣.直流穩(wěn)壓電源PCB繞組層間的絕緣采用兩層聚酯膠片就已足夠.安規(guī)EN60950中規(guī)定 直流穩(wěn)壓電源PCB繞組層上導(dǎo)體與鐵芯中心柱和外柱之間的距離必須為400um;另外,直流穩(wěn)壓電源PCB繞組 層上的阻焊層作為直流穩(wěn)壓電源PCB板與鐵芯之間的絕緣是不可靠的,可在鐵芯與直流穩(wěn)壓電源PCB板之間 添加薄片材料來加強(qiáng)鐵芯與直流穩(wěn)壓電源PCB板之間的絕緣.
4. 鐵芯
直流穩(wěn)壓電源平面變壓器鐵芯有很多種形狀,但最常用的是平面EE和EI型兩種.現(xiàn)在無論國 內(nèi)外的生產(chǎn)廠家都提供這兩款鐵芯.其它的還有RM,ER,PQ和罐型.但由于EE型鐵 芯中心柱是矩形,使得線圈長度相對較長,因此會(huì)產(chǎn)生空間利用率及EMI問題;RM, ER,PQ等中心柱為圓形的鐵芯,其線圈長度向?qū)^短,可改善屏蔽效果,但其有效 繞線窗口面積比EE 型鐵芯小,因此其線圈匝數(shù)受到限制.
在設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源平面變壓器時(shí),首先,應(yīng)根據(jù)變壓器的設(shè)計(jì)指標(biāo)確定鐵芯的允許
損耗密度Pcore:
上式中,參數(shù)Cm,X,Y,ct0,ct1和ct2可從廠家提供的產(chǎn)品手冊中查得,這些參數(shù) 均為鐵養(yǎng)體材料的特性參數(shù);100℃時(shí)Ct的值為1;F為工作頻率(HZ);Bpeak為磁通密度峰峰值,單位:T; T為環(huán)境溫度,單位為:℃ .
然后,假設(shè)變壓器的總損耗的一半是鐵芯損耗,則變壓器最大的鐵芯損耗密度 Pcore,鐵芯體積Ve及允許溫升△T之間的關(guān)系可標(biāo)示為:
再根據(jù)結(jié)果便可查得適合的鐵芯.
接下來便可進(jìn)行一,二次側(cè)繞組匝數(shù)和直流穩(wěn)壓電源電流由效值的計(jì)算,檢驗(yàn)直流穩(wěn)壓電源平面變壓器的溫 升是否在允許范圍內(nèi),進(jìn)而優(yōu)化繞組結(jié)構(gòu).注意,由于受高頻集膚和臨近效應(yīng)的影 響,導(dǎo)體的寬度最好小于兩倍集膚深度.如果繞線窗還能容納一定匝數(shù)的繞組,可 采用并聯(lián)繞組層以減小繞組電阻,從而減小繞組損耗.
目前市面出售的直流穩(wěn)壓電源平面變壓器鐵芯有帶夾槽和沒有帶夾槽的兩種.帶夾槽的鐵芯 可以通過廠家提供的夾板來固定;無夾槽之鐵芯之間的固定采用樹脂粘合的方式. 采用帶夾槽鐵芯的變壓器適用于高溫升場合.相對比較牢固,如下圖a所示;無夾 槽鐵芯制成的變壓器高度比帶夾槽的變壓器要低一些.設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)實(shí)際狀況 來選擇.若選擇無夾槽鐵芯,需要注意樹脂最好不應(yīng)粘在兩塊鐵芯的結(jié)合面,這樣
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