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高频开关电源变压器的优化设计

2022年09月26日 13:56:56      来源:湘潭方正电气成套设备有限公司 >> 进入该公司展台      阅读量:10

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  高频开关电源(Switch Mode Power Supply——SMPS)以其高效率、小体积等优点,在当今电子领域得到广泛应用。在不断提高SMPS功率密度的研究过程中,采用高的变换频率是必然的选择;在高频下,变压器的体积理论上应比20~150 kHz时小得多,但其前提是在高频、同等工作磁通密度下磁性材料具有与低频下可比的磁芯损耗,而目前的功率铁氧体材料在频率高于200 kHz时,允许工作磁通密度急剧下降,一般仅为百分之几甚至千分之几特时才能达到可接受的磁芯损耗。因此,高频下变压器的设计主要受功率损耗的限制,即在给定传输功率下,选取尽可能小的磁芯和绕组参数,使得整个变压器由损耗所引起的温升在设计范围内。


  对于在高频下的功率变压器设计,实际上没有可以一次完成的良好流程,其原因在于很多参数相互间存在着制约关系,因此必须采用计算机对诸如工作磁通密度DB、绕组匝数、绕组线径、并绕数目等参数进行反复尝试,以求得在满足温升条件、综合性能与可行性(如并绕匝数不能过多)的变压器设计。其中较为有利的条件是磁芯种类与参数是有限的,如磁芯材料特性、磁芯物理尺寸等。但从另一方面讲,这对变压器设计的充分优化也是一种限制,至少简化了优化流程。


  对工作在500 kHz以上的高频功率铁氧体磁芯及绕组材料(如漆包线、铜带等)是非常有效的。同时,可自动选取不同的绕组形式,在满足磁芯窗口利用率的前提下,降低变压器的高频铜损。该流程可满足大部分高频变压器的设计要求。为进一步完成变压器优化设计工作,以下几个方面的问题还需着重考虑:


  1)变压器磁芯中的热分布是不均匀的,尤其是芯柱的温度,因此要构建更为准确的变压器热模型,以防止由此带来的变压器工作特性变化。


  2)对于绕组的漏感、层间电容等寄生参数,必须加以深入研究,因为在高频下,若SMPS采用传统的PWM方式,这些参数将导致电路工作的不稳定。若采用谐振方式,这些参数关系到谐振回路参数的设计。


  3)对于非平衡的电路拓扑结构,变压器必须采用加气隙的方式以防止磁芯饱和。但本优化设计方法目前只考虑了未加入气隙的情况,虽然在高频下加入气隙可能导致变压器漏感的急剧加大,但就设计的完整性而言仍有缺陷。


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