一種小型平面變壓器/電感器的設(shè)計(jì)詳細(xì)介紹
一種小型平面變壓器/電感器的設(shè)計(jì)詳細(xì)介紹
1.引言
隨著電子信息技術(shù)的飛躍發(fā)展，各種電子設(shè)備已步入SMT(Surface mounting technology)時(shí)代，電子設(shè)備越來(lái)越要求輕、薄、小型化。傳統(tǒng)的功率型電子變壓器、電感器雖然在電子管、分立式晶體管時(shí)代起過(guò)重要作用，而在今天模塊化電子設(shè)備中，因體積過(guò)大而無(wú)法應(yīng)用，如何研制出小型平面電子變壓器、電感器是目前設(shè)計(jì)人員關(guān)注的熱點(diǎn)。本文闡述了采用多層印制板制造技術(shù)、數(shù)控機(jī)床加工技術(shù)、表面涂覆技術(shù)和利用高頻低損耗鐵氧體磁芯設(shè)計(jì)和制造了230kHz、達(dá)120W的小型平面變壓器和20A、10μH的大電流濾波電感器。
2.電路形式和變壓器、電感器的技術(shù)指標(biāo)
圖1為有源箝位/復(fù)位單端正激變換器的主電路。該電路具有零電壓轉(zhuǎn)換功能，有利于提高效率和降低EMI/RFI。
該電路由VQ2、VD2和Ccl組成箝位電路，為漏感L1及勵(lì)磁電感Lm的儲(chǔ)能轉(zhuǎn)移提供一個(gè)低阻工作通路，VQ2導(dǎo)通后Ccl繼續(xù)被充電，箝位電路電流以諧振方式減小。因整流管VD1截止，L1與Lm呈串聯(lián)連結(jié)，諧振頻率由L1、 Lm及Ccl決定，故對(duì)變壓器初級(jí)有一定的電感量要求。
另外，該電路VQ1截止后，變壓器繞組電壓極性反轉(zhuǎn)，Ca被充電，充電過(guò)程中，磁化電流逐漸減小，通過(guò)適當(dāng)選取參數(shù)，達(dá)到在磁化電流過(guò)零點(diǎn)前開(kāi)通VQ2,為磁化電流改變方向提供了可能，磁化電流反向后，箝位電壓Ucl反向加到變壓器初級(jí)繞組，驅(qū)動(dòng)變壓器B-H工作區(qū)域延伸到第二象限和第三象限。同時(shí)，Ccl電容儲(chǔ)能泄放轉(zhuǎn)移至L1及Lm儲(chǔ)存。VQ1導(dǎo)通后B-H工作點(diǎn)從第三象限開(kāi)始，正常工作區(qū)域基本與B-H軸原點(diǎn)對(duì)稱，在該對(duì)稱區(qū)域表現(xiàn)為：B-H單向變化數(shù)值與傳統(tǒng)單端正激變換器是一致的。為維持輸出正常調(diào)節(jié)，施加相同伏-秒積數(shù)到變壓器，產(chǎn)生的鐵芯損耗相對(duì)于單端正激變換器是一致的。實(shí)際工作時(shí)，應(yīng)選取最大工作磁通密度(Bm),變壓器可工作于- Bm～+Bm，由此△B=2Bm,如圖2。
電路中T1為我們需要設(shè)計(jì)的變壓器，工作頻率f=230KHz，輸入電壓Vin=230V，初級(jí)電感量Lm=117μH±10%，最大工作比0.45，輸出電壓Vo=5V，輸出電流Io=20A，Lo為濾波電感，Lo=10μH，工作環(huán)境溫度為-45℃～50℃，溫升≤50℃，試驗(yàn)電壓2KV，變壓器、電感器高度≤12mm,長(zhǎng)、寬均在40mm左右。
3.平面變壓器、電感器磁芯及結(jié)構(gòu)形式
3.1 磁芯
現(xiàn)階段用于功率型開(kāi)關(guān)變壓器的磁性材料有：坡莫合金、非晶態(tài)合金、超微晶合金、鐵氧體等多種材料。選擇鐵氧體材料制作磁芯，出于對(duì)有效空間的充分利用，又必須選擇芯柱較粗、窗寬較闊的磁芯，這樣才有利于減少匝數(shù)和降低電流密度。鑒于整體高度的限制，還需進(jìn)行必要的加工。
3.2 繞組
傳統(tǒng)的繞組將線圈繞在骨架上，并且導(dǎo)線都是圓形截面，加之工作于高頻，導(dǎo)線流過(guò)高頻交變電流時(shí)，其還受集膚效應(yīng)穿透深度△的限制，計(jì)算公式為
式中 △為穿透深度(mm)，ω為角頻率，ω=2πf(rad)。μ為導(dǎo)線磁導(dǎo)率(H/m)，γ為導(dǎo)線導(dǎo)電率(S/m)。
銅的相對(duì)磁導(dǎo)率等于1，即為真空磁導(dǎo)率，則
將此代入上式可簡(jiǎn)化為
式中 f=230KHz 則可用導(dǎo)線直徑2△=0.275mm。故一般在大電流情況下變壓器繞組都采用多股線繞制，這都會(huì)使磁芯窗孔利用率大大降低。我們決定小電流的初級(jí)繞組和輔助繞組分別用多層印制板和雙面板制造，高達(dá)20A的次級(jí)繞組和濾波電感繞組采用具有矩形截面的折疊銅帶制造，以使窗孔得到最有效地利用。
4. 變壓器設(shè)計(jì)
4.1 由功率傳遞能力確定磁芯尺寸
變壓器的功率傳遞能力取決于磁芯柱的面積與窗孔面積之乘積Ap值
式中：Pt為變壓器初、次級(jí)功率之和，變壓器效率較高時(shí)可取2倍的輸出功率。Kj為磁芯的結(jié)構(gòu)常數(shù)，其值在365～632之間，我們?nèi)?50。△B為增量磁感應(yīng)強(qiáng)度，根據(jù)電路△B=2Bm, Bm取0.1T，則△B =0.2T。f為工作頻率230 KHz。Ku為窗口利用率，在0.3～0.4之間。Kf為波形系數(shù)，矩形波取4，正弦波取4.44。
將以上數(shù)據(jù)代入計(jì)算得
AP=0.6855～1.1638之間。
我們經(jīng)過(guò)反復(fù)比較和計(jì)算，選擇了PQ40型磁芯，并磨制成我們需要的尺寸。如圖3，其AP值僅為0.69。
4.2 繞組
(1)初級(jí)匝數(shù)計(jì)算
式中
Up1為變壓器輸入電壓的最小幅值230V，△B為增量磁感應(yīng)強(qiáng)度0.2T，α為最大工作比0.45，Sc為磁芯截面積1.74mm2。
將以上數(shù)據(jù)代入計(jì)算得
W1=12.93匝。
(2) 次級(jí)匝數(shù)計(jì)算
式中：Up2為次級(jí)繞組電壓幅值,
，Uo為輸出電壓5V！鱑2為整流管壓降及線路壓降，取1.7V則, Up2=14.889V，W2=0.837匝。
將匝數(shù)調(diào)整為整數(shù)后
W1=15匝
W2=1匝
4.3 繞組電流
忽略激磁電流等，初、次級(jí)電流有效值按單向脈沖方波計(jì)算，
4.4 各繞組形式及溫升
鑒于初級(jí)繞組電流有效值為0.895A,我們利用8層印制板制作，每層為7.5匝，上下各4層并聯(lián)，然后各7.5匝串聯(lián)形成15匝初次繞組，如圖4。
初次繞組滿負(fù)荷工作時(shí)損耗為1.07W。
次繞組電流有效值為13.42A，考慮到受集膚效應(yīng)穿透率的限制,我們采用2片厚度為0.3mm銅帶，經(jīng)數(shù)控機(jī)床加工成如圖5的形狀。次級(jí)繞組滿負(fù)荷工作時(shí)損耗為0.709W。輔助繞組和反饋繞組各1匝用雙面板制造，形狀如圖6。由于電流很小，損耗忽略不計(jì)。
根據(jù)資料，由工作頻率、Bm值及工作溫度計(jì)算出鐵損為1.296W。
變壓器裝配后外形如圖7，其散熱面積s=42.88cm2 。單位面積耗散功率q=0.0524W/cm2 。根據(jù)圖8可查得其溫升為42℃。實(shí)測(cè)滿負(fù)荷工作時(shí)的溫升為34℃。
5.濾波電感設(shè)計(jì)
在濾波電感的設(shè)計(jì)中，我們采用PQ32型磁芯，磨制成我圖9所示的形狀和尺寸。
5.1確定濾波電感匝數(shù)W
式中 L為技術(shù)指標(biāo)要求的電感量。大氣隙情況下的漏感占20%。磁芯電感只需為0.8L。Lg為氣隙長(zhǎng)度，考慮到電感要求良好的線性，故lg取1.8mm。Ag為氣隙處等效截面，Ag取1.2倍的磁芯截面，Ag=1.267mm2。
將以上數(shù)據(jù)代入，得
W=9.52 匝，取整為10匝。
5.2 確定繞組形式及溫升計(jì)算
考慮到該電感電流達(dá)20A,僅紋波頻率為230KHz,主要成分仍為直流電流，故采用厚度0.45mm，寬4.5mm的銅帶做繞組。
經(jīng)數(shù)控機(jī)床加工,折疊后的形狀如圖10,展開(kāi)如圖11。
經(jīng)計(jì)算其繞組截面S=2.025mm2，繞組長(zhǎng)度l=0.612m，繞組損耗Pm=2.7992W。
由于工作時(shí)△B極低，鐵損忽略不計(jì)。
濾波電感裝配后外形如圖12。根據(jù)外形尺寸計(jì)算散熱面積S=27.04cm2，單位面積耗散功率q=0.10352W/cm2。根據(jù)圖8可查得其溫升為65℃。實(shí)測(cè)滿負(fù)荷工作時(shí)的溫升為48℃。
6.對(duì)變壓器(濾波電感)裝配在帶有散熱器的鋁基板上溫升可大大降低的分析
傳統(tǒng)變壓器因安裝支架與底板接觸面積不足整體面積的1%，且又未采取任何措施，故都沒(méi)有將底板納入幫助散熱的范圍。而平面變壓器與底板良好接觸面積可達(dá)25%左右，這就大大改善了散熱條件。
導(dǎo)熱是指研究直接接觸的物體各部分能量轉(zhuǎn)移的方式和效果。
我們要討論變壓器裝配在帶有散熱器的鋁基板上所收到的效果。這就必須知道以下條件：
變壓器理論溫升為42℃。
變壓器滿負(fù)荷工作數(shù)小時(shí)后，其與鋁基板接觸的底面實(shí)際溫升為29℃。與冷板接觸的散熱器表面溫升為27℃。
按1仟瓦·小時(shí)(kw·h)=859.8仟卡(kcal)換算，變壓器的總損耗2.051瓦·小時(shí)=1.763仟卡。
根據(jù)多層平壁穩(wěn)定工況下導(dǎo)熱工程計(jì)算所導(dǎo)出的熱量Q:
式中：t1-t5為多層面壁溫度差2℃。Rr1...Rr4為多層平壁的總熱阻(℃·h/ kcal)。δ為各層平壁的厚度(m)。導(dǎo)熱膠0.0001，銅箔0.00015，介質(zhì)0.00015，鋁基板0.002。λ為各層平壁的導(dǎo)熱系數(shù)(kcal/(m·h·℃)。導(dǎo)熱膠0.194，銅箔330，介質(zhì)0.26，鋁基板204。A為變壓器底面與平壁接觸的面積0.00104m2。
將以上數(shù)據(jù)代入，得
Q=0.3873(kcal)
即帶有散熱器的鋁基板轉(zhuǎn)移了變壓器總損耗2.051W的21.96%，因而其實(shí)際溫升降低20%左右也就在情理之中了。
以同樣的方式可計(jì)算出帶有散熱器的鋁基板對(duì)濾波電感的效果，這里就不再重復(fù)敘述了。
7.結(jié)束語(yǔ)
以上設(shè)計(jì)的變壓器和濾波電感，已通過(guò)電性能測(cè)試、高低溫循環(huán)試驗(yàn)、高低溫儲(chǔ)存試驗(yàn)，性能均符合要求。
通過(guò)該方案設(shè)計(jì)的變壓器、濾波電感可得出以下結(jié)論：
以數(shù)控機(jī)床加工的折疊銅帶，既滿足高頻受集膚效應(yīng)穿透率的限制，又具有矩形截面，加之銅帶表面以漆做絕緣，大大提高了窗孔利用率。折疊銅帶繞組、多層印制板和雙面板繞組與手工繞線方式相比，分布參數(shù)一致性好，便于電路調(diào)試。
用于工作頻率高達(dá)200KHz以上的開(kāi)關(guān)變壓器、濾波電感，可設(shè)計(jì)成小型平面化，其高度可降低到集成電路和電容器等元件的同一量級(jí)，同樣可組裝到帶有散熱器的鋁基板上。借助于散熱器，在同等耗散功率的條件下，可降低溫升20%以上。
若大批量生產(chǎn)，根據(jù)需要重新設(shè)計(jì)磁芯，使其底面積加大，窗口更合理，變壓器和濾波電感的溫升將進(jìn)一步降低以及尺寸進(jìn)一步減小。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2017-12-13
