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工程师讲解:高频平板变压器的设计原理及存在

  一直是电源设备和装置,缩小体积、提高功率密度、实现模块化的一只拦路虎。虽然高频变换技术引入电源后,可以甩掉体积庞大的工频。铁氧体磁芯高频变压器的体积虽比工频变压器小,但离开模块化的要求还相差很远。它不但体积还嫌大,而且它的发热量,漏电感都不小。因此近几年来,许多专家、学者、工程师一直在研究解决这个问题的办法。高频技术发生一个飞跃。它不但能使变压器的体积缩小很多,而且还能使变压器内部的温升很低、漏电感很小,效率可做到 99.6%,成本比一般同功率的变压器低一半。它可用于单端正、反激,半桥,全桥和推挽变换器中作AC/DC和DC/DC变换器用。它对低电压、大电流的变换器特别适用。所以用它来做当代计算机电源特别合适。i型变压器

  理想的变压器(完全耦合的变压器)原边绕组产生的磁通应全部穿过副边绕组,没有任何损失和泄漏。但实际上常规的变换变压器不可能实现没有任何损失和泄漏。原边绕组产生的磁通不可能全部穿过副边绕组。非耦合部分磁通就在绕组或导体中有它自己的电感,存贮在这个“电感”中的能量不和主功率变压器电路相耦合。这种电感我们称之为“漏感”。理想变换器对绝缘的要求和为了要得到很低的电磁干扰(EMI)而需要很紧的电磁耦合以减小漏感的要求,是相互矛盾的。

  当变压器不通电(转向脱离电源或开关处于关断期间)时,漏感存贮的能量要释放出来形成明显的噪音。在示波器上能看到此噪音的高频尖峰脉冲波形。高频尖峰脉冲波形的幅值Uspike和漏感Lleak与电流相对时间变化率的乘积成正比。即:Uspike=Lleakdi/dt(1)

  当工作频率升高,电流相对时间的变化率也就增加。漏感的影响将更严重。漏感的影响和变换器的开关速度成正比。漏感产生过高的尖峰脉冲会损坏变换。

  器中的功率器件并形成明显的电磁干扰(EMI)。为了降低漏感产生的尖峰脉冲幅值Uspike,而在变换器电路中必须加入缓冲网络。但缓冲网络的加入,会增大变换器电路的损耗。使变换器电路随工作频率提高,损耗增加,效率降低。

  当变压器的绕组是多层绕组时,则顶层绕组和底层绕组之间就有电位差。两个导体之间有电位差,就存在电容。这个电容就称为“绕组间电容”。当工作在高频时,这个电容会以惊人的速率进行充电和放电。电容充电和放电过程中会产生损耗。在给定的时间内,它充电和放电的次数愈多,损耗就愈大。

  常规的变换变压器工作在高频时,其磁芯中部会有局部过热点。因此,为了减小热效应,常规变换变压器的工作频率提高时,就必须相应地减小其磁通密度,增大其体积。这就使得无法用它去做高功率密度的电源。

  对于低输出电压理想型变换器来说,它的降压比是很高的。用常规变换变压器时,通常1匝输出绕组,大约需要32匝原边绕组。这样,原边绕组就需多层布置,因而漏感和绕组间电容大、趋肤效应和邻近效应严重等不利因素在变换变压器中都存在。3常规变换变压器和平板变压器比较

  常规变换变压器通常是由单磁芯多原边绕组组成,而平板变压器是由单匝(或几匝)原边绕组和多磁芯组成。这些磁芯都装有单匝的副边绕组并封装成模块,如图1所示。

  (1)常规变换变压器由于它的原边绕组匝数多,所以漏感比较大,而平板变压器单匝(或几匝)原边绕组和单匝的副边绕组耦合很紧,所以漏感很小。30A平板变压器的漏感仅2.0nH。所以把它用在快速开关电路中时,不但损耗很小,而且还能减轻电路中其它部件承受的应力。

  (2)平板变压器的频率特性比常规变换变压器好。平板变压器可工作在(100~500)kHz频率之间。(3)平板变压器能直接紧贴底板固定,所以它的散热条件很好。这种专用变压器是一种体积很小而又具有很大表面积的元件。所以它不存在局部过热点的问题。

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