之前的討論:
接著來討論下電源電路中磁性元件的損耗。
電源中的磁性元件一般就是指電感與變壓器,這里我們這種討論初次級隔離的變壓器,因為這種變壓器在開關電源中應用最為廣泛。
變壓器的作用大致是提供初次級的電氣隔離,使輸出電壓或升或降,傳送能量;變壓器設計的好壞直接關系到整個電源系統的安規,EMC,效率,溫升,輸出的電氣性能參數,壽命,可靠性,甚至會導致系統的崩潰。
之前的討論:
接著來討論下電源電路中磁性元件的損耗。
電源中的磁性元件一般就是指電感與變壓器,這里我們這種討論初次級隔離的變壓器,因為這種變壓器在開關電源中應用最為廣泛。
變壓器的作用大致是提供初次級的電氣隔離,使輸出電壓或升或降,傳送能量;變壓器設計的好壞直接關系到整個電源系統的安規,EMC,效率,溫升,輸出的電氣性能參數,壽命,可靠性,甚至會導致系統的崩潰。
兄弟第一帖就給我出個大難題呀,呵呵
升壓的做過,但經驗不多,說說個人的理解,不一定對,權作參考與討論之用。
升壓變壓器的難點,樓上已經指出來了,因為繞組的圈數太多,漏感與分布電容很難兩全其美;這個時候我覺得應該從以下幾個方面著手:
1、在選擇變壓器的時候,如果結構尺寸允許的話,我們盡量選擇高長型(立式)或窄長(臥式)型的,因為這種變壓器單層繞線圈數多,可以有效降低繞線的層數,增加初次級的耦合,減小層間電容。
2、優化繞線順序,使初次級能增減耦合面積;曾經用過這種繞法:1/3次級--1/2初級--1/3次級--1/2初級--1/3次級,結果表明此種繞法漏感可以小很多。
當然這種變壓器繞制工藝稍顯復雜,成本稍高,但還是可以接受。
3、層間電容大家都知道,每層之間加黃膠帶,便可減少層間電容。
當然這些措施都是在考慮安規與EMC的情況下,做出的改進;對于升壓電源,漏感與層間電容如果處理不好很容易引起振蕩,使電源的EMC不好過,效率不高,有時會莫名其妙的炸MOS管(我實際碰到過的情況)。
我們知道變壓器的損耗分為鐵損與銅損,先來說說鐵損吧。
變壓器的鐵損包括三個方面:
一是磁滯損耗,當交流電流通過變壓器時,通過變壓器磁芯的磁力線其方向和大小隨之變化,使得磁芯內部分子相互摩擦,放出熱能,從而損耗了一部分電能,這便是磁滯損耗。
二是渦流損耗,當變壓器工作時。磁芯中有磁力線穿過,在與磁力線垂直的平面上就會產生感應電流,由于此電流自成閉合回路形成環流,且成旋渦狀,故稱為渦流。渦流的存在使磁芯發熱,消耗能量,這種損耗稱為渦流損耗。
三是剩余損耗,在磁芯磁化或反磁化的過程中,磁化狀態并不是隨磁化強度變化而立即變化,有個滯后時間,滯后效應便是引起剩余損耗的原因。
關于第一條:
增加初次級的耦合,可以減小變壓器的漏感,但會增加初次級間的分布電容。
老兄最后一句話,太對了。
升壓變壓器,最難搞得就是漏感和分布電容不好處理,很容易震蕩。
贊同6樓的說法,磁性元件的設計中存在太多的不確定因素,比如同樣的繞制工藝要求,不同廠家做出來的會有小小的差異,還有磁芯材質的差異,因為不是每個工廠都用得起TDK的磁芯,所以,我認為設計是需要豐富的經驗加上實際的調試來確定最終參數。
我一般都是線大概計算下參數,然后在實際中調試,最終確定的參數主要是看調試的效果。
從鐵損包含的三個個方面的定義上看,只要控制磁力線的大小便可降低磁滯損耗,減少磁芯與磁力線垂直的面積可以減少渦流損耗。
趙老師在《開關電源中磁性元器件》一書中指出:
由上面的話可以看出,在磁芯材質與形狀,體積等都確定的情況下,變壓器的鐵損與變壓器的工作頻率以及磁感應強度擺幅deltB成正比。
1、變壓器的繞法有無數種,那種相對較好也無法回答,因為變壓器結構,電路拓撲不同,所采用的繞法也會不相同,漏感與耦合方面的請參照第3貼
2、磁芯的最佳工作溫度為80-110度,你可以根據結構與散熱條件來等因素來設定磁芯的溫度,不過實際的工作穩定往往不是某幾個因素能決定的,需要綜合考慮,具體可見第6樓sixbrother的論述。
3。關于選擇磁芯,可以根據AP法來計算。當然還有許多因素共同決定的,比如結構尺寸,散熱條件,電路拓撲,成本,溫升要求,效率,輸出電壓的路數,輸入輸出電壓電流的大小……
總之這些不是一句話能說清楚的,選擇合適的磁芯,需要豐富的理論與實際工程經驗
磁滯在低場下可以不予考慮,渦流在低頻下也可忽略,剩下的就是剩余損耗。在磁感應強度較高或工作頻率較高時,各種損耗互相影響難于分開。故在涉及磁損耗大小時,應注明工作頻率f以及對應的Bm值。但在低頻弱場下,可用三者的代數和表示:tanδm= tanδh+tanδf+tanδr。式中tanδh tanδf tanδr分別為:磁滯損耗角正切,渦流損耗角正切,剩余損耗角正切。各種損耗隨頻率的變化關系如圖。
由圖可見,剩余損耗和B的大小無關,但隨頻率增大而增大。而磁滯損耗隨B的增加增大,渦流損耗則和頻率成線性變化。了解了這些就可知:在正激和橋式電源中,磁芯損耗著重考慮渦流損耗。在反激變壓器和儲能電感中,既要考慮渦流損耗又要考慮磁滯損耗,尤其是DCM方式工作的電源,磁滯損耗是第一位的。所以可以確定,做電源時第一點就是根據電源的工作頻率選取相應的磁芯材料。
貼一篇理論分析比較全面的文章,大家可以看看
下面我們開始來討論下變壓器的銅損。
變壓器的銅損即變壓器繞組的損耗,包含直流損耗與交流損耗。
直流損耗主要是因為繞變壓器的銅漆包線,對通過它的電流有一定的阻抗(Rdc)而引起的損耗。此電流指的是各個繞組電流波形的有效值。直流損耗跟電流大小的平方成正比。
相對來說,交流損耗就復雜得多,包含繞組的趨膚效應,臨近效應引起的損耗,同樣還包括各次諧波引起的損耗。
先說直流阻抗,形成原因上面說了。下面我們來分析怎樣減少直流損耗
首先,給出直流損耗計算公式:Pdc=(Irms)^2*Rdc
由上面的公式可見,對于電流有效值一定的情況下,只要降低繞組的直流等效電阻就可以降低繞組的直流損耗。
我們知道繞組的電阻與材質,長度,截面積甚至溫度(關系很小)等有關,那么我們就可以采用如下方法來降低繞組的直流損耗:
1、采用電阻率小的導體來繞制變壓器,一般采用銅漆包線,盡量不用銅包鋁漆包線或鋁漆包線
2、在變壓器窗口面積允許的情況下,盡量用大一點的等效截面積的漆包線(單根線不要超出穿透深度,后面會分析)
3、適當減少繞組的匝數(會增加鐵損),慎用
前輩你好:
3。關于選擇磁芯,可以根據AP法來計算。在功率小的時候,我用AP法來選磁芯還沒遇到問題,可當功率稍大些,比如10幾個KW時,發現用AP法算下來的值很夸張,一般會需要好幾個磁芯并在一起,窗口面積也顯得太小了(主要是電流大繞線粗的緣故),能否給點建議。
10幾個KW的功率我還真沒有做過,沒有相關經驗,談一下個人看法,供參考。
大功率的電源一般頻率跑得比較低,deltB也選得很低,各種分布參數對電源的影響非常大,一般比較難精確計算損耗值,所以很多人都是憑經驗選取磁芯。
你說的磁芯并聯,可能是為了發熱平衡的設計
再說大功率的成本壓力非常小,一般都是把余量放得很足,有利于電源長期穩定的工作
冰班竹說的非常正確,對於初學者,我給幾個建議:
1.由於鐵損涉及價格,若保持競爭力情況下,我都只考慮磁滯損耗,且故意操作在距離飽和前500高斯,以免浪費.例如PC40號稱常溫4000高斯飽和,但查表在100度C下,只剩3200高斯,故我設計在2500~2800不敢再高了.萬一飽和會炸機.如此就只剩查表的工作,也就是這變壓器的鐵損會因為您設計的(磁通)(頻率)(重量)就得到損失多少鐵損.
2. 銅損部份因為EMI與電解電容ESR特性,一般頻率操作在65KHz,所以只要線徑小於0.6mm,則集膚效應所影響不大,因為高頻會跑表層,若線太粗則中心形同無效.若120KHz則分細線至少0.4mm以下. 如此的話就可以簡單的計算I平方R就好,溫度方面以安規ClassB標準,在常溫下變壓器85度C,那麼50度C操作環境就到頂端110度C,再加10度C的溫度線誤差時,120度C是安規可接受頂線,還有另一點是電解電容只耐105度C,變壓器太燙的話,電容也會烤乾的.
3. 功率建議以Ae值評估,原因是必須在不飽和與價格上取平衡點,選大了貴,選小了要不圈數多時銅線燙,要不圈數少時GAP大卻造成漏感大以及Core和MOSFET燙. 比如
3~5W選EE13, Ae約0.18
5~12W選EE16~EE19, Ae約0.2~0.24
10~20W選EF20~EF25,Ae約0.33~0.51
25~40W選EF25~ER28或RM8~RM10, Ae約0.51~0.78
40~60W選RM10 PQ2625 或ER35 EI40或者POT30, Ae約0.9~1.5
60~120W選 POT33~EE4215,Ae約 1.5~2.1
以上是FLYBACK 架構,若是Forward其變壓器只負責傳送,實際儲能在後級電感,其功率越高鐵芯越大,但選太大, 老闆的頭會大.
4. 繞法跟效率與EMI關係密切,當然漏感越小效率越高,問題是哪兒高,是AC90V滿載高嗎?還是AC264V 25%載效率高,答案是全部都有. 至於AC90V滿載則是輸出線徑粗時效率高,原因只是歐姆定律,而AC264V 25% load效率則在於Lp感量高才能將Duty拉開,而IC降頻也有推波助瀾效果. 可是漏感越好,如同原邊的老公跟次邊的老婆親密度類似,當然越多人夾越多層,最好都別穿衣服(沒有隔離銅箔檔著),那麼漏感肯定降到3%以下.只是若沒有隔離銅箔檔著,那麼原邊的Noise跑到次邊上傳出去發射在空中就是很悽慘的EMI. 我以往會做三明治夾法(2原1次),而次邊兩旁2個隔離銅箔檔著,徹底將Noise檔著犧牲效率,只要繞線平整就好,後來為了Energy star 2.0的四點平均效率提升,只好善用IC的抖頻而隔離同箔只留裡面一層.
5. 主變壓器一般使用B=V x T x 10^8 / Ae Np計算是因為MOSFET將Bulk CAP電壓通到變壓器,所以電壓固定值, Ton時間決定B. 但是PFC Choke與 Forward的輸出儲能Choke都是串聯在電路上,須要用 I x R來取代 V x T才不容易算錯
林版主深入淺出形象生動的講解,讓人受益匪淺~
建議能有加分機制,就是對于 精彩發言,可以給加分。
雖然論壇積分是虛幻的,不過還是感覺等級越高越好啊,嘿嘿~