开关电源兴趣小组 第12次任务

maychang

开关电源兴趣小组 第12次任务 [复制链接]

 

　　第11次思考题
　　假定某反激开关电源变压器原边电流波形如图(05)，峰值为Ip，占空比为0.25。显然这是反激变换器电流断续工作状态的电流波形。求此电流的平均值和有效值。

图(01)
　　本文图(01)即上次的图(05)。
　　图中可见，这是个电流断续工作状态的反激变换器初级电流波形，是个断续三角波。
　　由《开关电源中磁性元器件》6.5.2小节我们知道，计算电流平均值，是电流(随时间变化)函数对时间进行积分，再除以周期，得到一个周期内的平均值。计算电流有效值，是电流(随时间变化)函数的平方对时间进行积分，再除以周期，再开方，得到一个周期内的有效值。对断续三角波来说，该书列出了化简后的结果，如图(02)。

图(02)
　　根据图(02)中公式，图(01)中电流波形的平均值为0.125Ip，电流的有效值为0.2887Ip。这样的波形，有效值是平均值的2.3倍。
　　但是，即使计算出了有效值，我们增加了线径，这样计算出的导线实际发热量仍然比按照有效值计算出的要高。这是因为电流的集肤效应和邻近效应。
　　由于集肤效应，导线表面的电流密度最大，从表面到中心按照指数规律下降，不是均匀的。而不均匀的电流分布，必定使发热增加。
　　别小看集肤效应。开关电源工作频率为数十kHz到数百kHz，这样的频率当然要考虑集肤效应。就是50Hz的工频，集肤效应也不能忽略。
　　根据《开关电源中磁性元器件》6.1节，5kHz时铜导线穿透深度为0.9346mm。穿透深度与频率平方根成反比。那么50Hz时铜导线的穿透深度为9.346mm，还不到1cm。所以即使是在电力工业设备中，例如大功率变压器或者电机，对载有大电流的导线也要用多根互相绝缘的导线并联(另一个使用多根细导线的理由是便于绕制)。如果是单根粗导线，可能会使用空心的导线管以节约金属。
　　
　　第12次活动，请各位阅读《精通开关电源设计(第2版)》第3章“离线式变换器及其磁性元件设计”中3.2节“正激变换器的磁性元件”。 同时请阅读《开关电源中磁性元器件》第五章5.2节“II类工作状态－正激变换器变压器”。 并请参阅《开关电源中磁性元器件》第七章“功率变压器设计”和第八章“电感和反激变压器设计”。在《开关电源中磁性元器件》第七章“功率变压器设计”的7.2节中，分16个步骤给出了一个正激变换器变压器的设计例子。在《精通开关电源设计(第2版)》第3章3.2.5小节中也给出了一个正激变换器变压器的设计例子。很巧，两个设计例子都是5V50A，选择的开关工作频率都是200kHz，选择的铁氧体磁芯也是一样的。
　　两个设计例子的计算结果不完全相同。从两个设计例子的计算过程中，我们可以充分理解设计工作有多么繁复困难。在《图灵 精通开关电源设计(第2版)》第3章3.2.5小节给出的变压器的设计例子中，光是选择初级导线的线径，就经历了四次迭代才算定下来。而且在这个例子中，变压器的损耗并没有实现当初的目标，而是比当初的损耗要大。如果一定要实现当初损耗2.5W的目标，那么这些计算都要重新来过，修改铁损和铜损的比例，甚至重新选择铁氧体磁芯。
　　如果上次活动对反激变换器变压器的设计有比较充分的理解，此次活动的内容应该不难。但若上次活动没有理解反激变换器变压器，那么此次活动的内容理解起来可能同样困难。
　　
　　一般地说，传递相同功率并且工作于相同频率的正激变换器变压器和反激变换器变压器，正激变换器的变压器体积重量都比较小。显然，这是因为反激变换器变压器需要在开关管导通期间存储能量，然后在开关管关断期间释放到负载，而正激变换器变压器则不需要存储能量。但是，正激变换器的整流必须使用电感来实现储能，而反激变换器的整流不需要使用电感：反激变压器已经起到了储能作用。所以，虽然正激变压器体积重量较小，但把电感的体积重量成本加上，传递相同功率正激变换器总体积重量和成本可能比反激变换器更大。
　　
　　从上次和这次活动内容来看，开关电源变压器的设计是相当繁难的，需要经过多个步骤，每个步骤中有一些参数不是很确定，需要你自己选择。然后还要验算是否满足了设计要求，如果不满足设计要求还要重新来过。
　　其实，变压器的设计仅仅是整个开关电源设计的一部分。在《开关电源中磁性元器件》第七章102页的例子中，给定直流输入为100～190V，直流输出为5V50A，工作频率为200kHz，最大损耗2.5W。第一点输入100～190V和第二点5V50A输出显然是设计要求，第三点工作频率200kHz和第四点最大损耗2.5W，显然是设计者自己定的，不是设计要求。为什么这样定？显然和整个开关电源的设计要求有关。整个开关电源的设计要求可能是效率不低于85％，即损耗不大于44W。而变压器、功率开关管、整流二极管、滤波电感……都会产生损耗，于是“根据经验”把44W分配给各个产生损耗的部分，变压器分得2.5W。至于为什么变压器只分到2.5W，那就要“根据经验”了。而这个“经验”，是反复多次设计验算实物测量后，并根据整个开关电源的其它要求如重量体积成本等等得出的，而且与元器件的发展水平有非常大的关系，并非一成不变，而是随着元器件发展水平不断变化的。元器件发展如此迅速，以致于几年前的“经验”可能到了今天就要修正。下次活动我们将讨论这个问题。
　　
　　第12次思考题
　　本次活动要求阅读的《精通开关电源设计(第2版)》第3章3.2.5小节中给出的正激变换器变压器的设计例子中，变压器的损耗为3.131W，超出了原来2.26W的预计损耗，致使温升达到55℃，超过预定的40℃。该书也说：“不可否认，仍有优化的余地”。
　　如果要降低该变压器的损耗，你打算怎样修改设计？或者说打算怎样优化？
　　
 

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换个功率大的变压器，毕竟质量第一。

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    按照《开关电源中的磁性元件》第七章第二节的设计方案，增大磁芯截面积，降低变压器损耗。《开关电源中的磁性元件》7.2小节的变压器设计的总损耗是2.22W，比《精通开关电源设计》3.2.5小节的3.131W降低损耗约30%。

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变压器的损耗为3.131W，超出了原来2.26W的预计损耗，致使温升达到55℃，超过预定的40℃。该书也说：“不可否认，仍有优化的余地”。　　如果要降低该变压器的损耗，你打算怎样修改设计？或者说打算怎样优化？

可以适当增加匝数，或者重新选择过磁芯的窗口面积。

1nnocent

本次活动要求阅读的《精通开关电源设计(第2版)》第3章3.2.5小节中给出的正激变换器变压器的设计例子中，变压器的损耗为3.131W，超出了原来2.26W的预计损耗，致使温升达到55℃，超过预定的40℃。该书也说：“不可否认，仍有优化的余地”。
　　如果要降低该变压器的损耗，你打算怎样修改设计？或者说打算怎样优化？

答：如果要修改设计可以尝试使用反激拓扑，反激拓扑的变压器有储能的作用，变压器和电感的总体积与成本可能比正激拓扑小；也可以增加变压器匝数来减小变压器损耗。

maychang

1nnocent 发表于 2020-11-13 09:18 本次活动要求阅读的《精通开关电源设计(第2版)》第3章3.2.5小节中给出的正激变换器变压器的设计例子中，变 ...

传输相同功率，正激变换器的变压器往往比反激变换器的变压器体积小。所以同样的输出功率改用反激拓扑通常要换比较大的磁芯。

一个小白5

从中可以看出变压器的损耗过大，可以采用增加变压器匝数或者增加磁通面积进行优化。

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优化变压器的绕制方法，减小漏感。选用磁芯截面积更大的磁芯，或选用磁损更小的磁材。