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高频开关电源变压器优化设计分析

时间:2022-07-30     【原创】

       电源是各种电子设备必不可少的组成部分,它对于确保设备的正常运行起着非常关键的作用。同样,高频开关电源的核心部件是开关电源变压器,他能够对能量进行转换以及传输, 并且变压器是高频开关电源主要的体积与重量占有者,同时也是发热源 ;实现开关电源的小型轻量,平面智能等目标,开关电源的高频化尤为重要。


1 高频开关电源变压器的主要构成以及分类:


       从广义上来说,凡以半导体功率的开关器件为开关管,经对开关管进行高频开通以及关断控制,会将电能形态转化为其他电能形态装置,这就是所谓的开关转换器。用开关转换 器作为主要的组成部件,以闭环自动控制来稳定它的输出电压,并且在电路中增加保护环节电源,此为开关电源。若用高频 DC/DC 转换 器作为开关电源工作时的开关转换器则就成为高频开关电源。


        高频开关电源基本的路线是由开关型的功率变换器,整流滤波电路,交流直线转换电路以及控制电路组成。高频开关电源变压器分类方式 :

(1) 按照驱动方式的不同可以分为他激式和自激式

(2) 按照电路的拓扑结构可以分为隔离式和非隔离式 ;前者包括正激式,反激式与半桥式,全桥式,推挽式 ;后者包括降压型与升压型等

(3) 按照输出输入间是否有着电器隔离可将其分为隔离式与非隔离式。

(4) 按照DC 转换器 /DC开关条件,可将其分为硬开关以及软开关。


2 高频开关电源变压器优化设计:


设计参数:

       高频变压器的设计参数之间相互依存和相互制约,因而在设计时我们应该对各参数进行合理折中,根据应用场合的不同,应当首先去满足那些占支配地位的影响因素,之后再权衡其他参数的影响。由于参数间的相互依存与制约,在设计时将所有参数都达到最佳是很难 做到的,例如,变压器效率与体积之间的矛盾,漏感与分布电容不能同时减小等。因此,在优化设计的过程中,我们选取了三个相对重要的参数进行分析。


温升:

       在变压器工作的过程中,铁芯以及绕组中的损耗会产生热量,使得变压器的温度升高,同时这些热量会通过辐射与对流的方式在周围环境中进行传递。我们应该对温升加以控制,从而防止绕组被烧,磁芯的性能下降和变压器热击穿等问题的出现。在变压器的温升计算中,一般会把磁芯和绕组的损耗合在一起, 并且假设热量经过磁芯与绕组后整个的表面积会均匀消散。


分布参数:


       漏感与分布电容是高频变压器的主要分布参数,分布参数在高频下对开关电源性能的影响十分重要。对于开关式的变换器,漏感能够导致电压尖峰,对电路中的部分器件产生不 必要的损坏,而分布电容则会引起电流尖峰并且延长充电的时间,会对开关和二极管造成较 大的损耗,从而使变压器的效率以及可靠性降低,所以,在此种工作模式下,我们会尽可能减小变压器的分布参数 ;而对于谐振式的变换器,可以吸收和利用变压器分布参数,可全作为谐振参数或者其中一部分,因而在这种模式下,应该准确设计分布电容与漏感的值。


损耗与效率:


        我们把输入功率和输出功率之差作为变压器功率损耗,将其分为两个分量 :磁芯损耗与绕组损耗。在额定电压运行下,铁损一般不会随着负载电流的变化而变化,因而铁损通常也称为不变损耗 ;若忽略了励磁电流,铜损与负载电流的平方会成正比例关系,因而铜损也称为可变损耗。对变压器分别进行短路试验以及空载实验,分别测得在额定电压下铁损耗以及额定负载下铜损耗,其中,铁损在正常工作时保持不变,铜损则会随着负载的变化而变化。


优化目标:


       高频开关电源变压器优化的目标是使变压器体积更小,重量更轻,频率更高,同时能够保证温升,分布参数以及绝缘满足设计基本要求。为了实现变压器的效率最大化,在设计的过程中应该遵循两个基本的原则 :首先保证变压器的铜损与铁损相等;其次,保证变压器在初次绕组时的损耗相等 ;同时为实现变压器的体积缩小的目标,我们应该尽量采取采用合适的磁芯与绕组结构。

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