圖文并茂解析變壓器各種繞線工藝

時間：2020-11-29 21:25:00

關(guān)鍵字：變壓器電源設(shè)計

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[導(dǎo)讀]包含各種拓撲！

一、傳統(tǒng)變壓器篇

單路輸出 Flyback 及常見的變壓器繞組結(jié)構(gòu)

紅色：初級繞組

紫色：輔助繞組

黃色：次級繞組

特點：輔助繞組位夾在初級、次級中間

缺點：

1, 臨近效應(yīng)很強，繞組交流損耗大

2, 初、次級間的漏感較大，吸收回路損耗較大，效率較低

優(yōu)點：

1，工藝結(jié)構(gòu)十分簡單，易于制造

2，初級外層接電位靜止的V+端，易于實現(xiàn)無Y

改進的 Flyback 變壓器繞組結(jié)構(gòu)（簡易型）

紅色：初級繞組

紫色：輔助繞組

黃色：次級繞組

特點：輔助繞組位于線包最里層，初級在中間、次級在最外邊

缺點：臨近效應(yīng)很強，繞組交流損耗大

優(yōu)點：

1，工藝結(jié)構(gòu)十分簡單，易于制造

2，初級外層接電位靜止的V+端，易于實現(xiàn)無Y

3，初次級間漏感較小，吸收回路損耗較小，效率較高

改進的 Flyback 變壓器繞組結(jié)構(gòu)(三明治型)

紅色：初級繞組

紫色：輔助繞組

黃色：次級繞組

特點：輔助繞組位于線包最里層，然后分別是初級的一半，次級全部，初級的另一半；

缺點：

1, 次級臨近效應(yīng)很強，繞組交流損耗大

2，初級的一半繞組沒有任何的靜電位層供屏蔽用，無法實現(xiàn)無Y

優(yōu)點：

1, 工藝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于制造;

2, 初次級間漏感較小，吸收回路損耗較小，效率較高

3, 初級臨近效應(yīng)較小，繞組交流損耗小

Flyback 多路輸出

L3 與L4 之間的漏感，引起交叉調(diào)整。

實用的多路輸出型

高壓輸出繞組疊在低壓繞組之上，雙線并繞降低交叉調(diào)整

功率傳輸變壓器（含正激、推挽、半橋、全橋）

合理的繞組結(jié)構(gòu), 層厚小于2Δ

紅色：初級繞組

紫色：輔助繞組

黃色：次級繞組

實際變壓器的模型

虛線內(nèi)為理想變壓器

脈沖變壓器信號傳輸失真

由于原邊及幅邊漏感，電阻分量的存在，脈沖在經(jīng)過變壓器后，產(chǎn)生延遲、斜率變緩、振鈴、頂降

脈沖電流的分解

脈沖電流由基波電流及各高次諧波電流組成

占空比越小，基波分量越小，高次諧波分量越大，因此線徑的選擇（穿透深度*2）不能只考慮基波電流的頻率

輸出功率與頻率的關(guān)系（EE25 單端變換器為例）

理論上，對于指定的磁芯，在相同的磁密下，輸出功率與頻率呈正比，但實際上并非如此，

原因有：

1，頻率升高，穿透深度下降，需要用較小的線徑，窗口利用率下降，且繞組層厚與穿透深度的比值增大，交流電阻大增，有效輸出功率下降；

2，頻率增加，絕緣材料的耐壓下降，為保證同樣的絕緣強度，需要加大絕緣層厚度，進一步降低窗口利用率；

3，頻率到達某一程度后，磁芯損耗大增，需要適當(dāng)降底磁通密度（具體請參考磁損表）

LLC 變壓器

LLC 電路結(jié)構(gòu)

LLC 集成磁件

漏感由原邊與副邊之間的檔墻寬度、磁芯的磁導(dǎo)率、以及中柱長度與窗口高度的比值決定

紅色：初級繞組

黃色：次級繞組

小漏感的 LLC 集成磁件

個別應(yīng)用中，需要用到較小的漏感，擋墻的寬度較小，安全間距可利用下面的結(jié)構(gòu)來滿足。

紅色：初級繞組

黃色：次級繞組

其它減小漏感的方法：

1，磁芯的磁導(dǎo)率，換用高導(dǎo)的磁芯，漏感會減小；

2，減小中柱長度與窗口高度（指上圖中窗口的水平方向）的比值，漏感會減小

3, 采用逆磁性材料代替順磁性材料制作檔墻

增大漏感的方法：

1，換用低導(dǎo)的磁芯

2，增大中柱長度與窗口高度的比值

3，用弱鐵磁性的材料制作檔墻, 如混有磁粉的注塑墊片，可以大幅度降低檔墻的占窗面積，增加變壓器出力，具體實施需要考慮經(jīng)濟性；

大功率的 LLC 變壓器

LLC 磁集成變壓器的問題：由于初次級繞組產(chǎn)生的磁場是獨立分布的，各自的臨近效應(yīng)很強，不利于大功率應(yīng)用場合，而且氣隙處的EMI 很不好處理，因此需要將漏感獨立出去。

中功率的 LLC 集中參數(shù)變壓器，按正弦變壓器設(shè)計，可采用簡單繞制工藝

紅色：初級繞組

黃色：次級繞組

大功率的 LLC 集中參數(shù)變壓器，按正弦變壓器設(shè)計，需要采用夾層工藝，中各初次級繞組磁場的磁場，降低臨近效應(yīng)，保證最小的交流電阻

紅色：初級繞組

黃色：次級繞組

二、高功率密度變壓器

為了直觀，我們將一個EE85 磁芯，在2000GS 磁密，25KHz 頻率下，不同電流密度時的效率、輸出功率，銅損鐵損比繪在同一表格內(nèi)（注意：因為寬度不夠，電流密度在10 以上比例不同。）

可以發(fā)現(xiàn)，電流密度在3-6A/mm2 范圍內(nèi)，變壓器效率達到98.5%以上，而要滿足98%的效率，電流密度的范圍達到2-10A/mm2。

由于鐵損基本固定，而銅損與輸出功率的平方成正比，因此高功率密度變壓器的實現(xiàn)，主要是解決繞組的散熱問題，但應(yīng)用中的方向卻是相反的，我們所見到的高功率密度變壓器，都是將繞組的熱量“悶”在磁件的內(nèi)部，繞組的熱阻比較大，不利于提高功率密度，如PQ，PM，以及平面變壓器。

高功率密度變壓器的解決措施

思路：強制對繞組進行冷卻

1、液冷法，低壓繞組利用中空的管狀銅材料制作，用微形液壓泵為低壓繞組提供冷卻循環(huán)液，可用變壓器油。高壓繞組的熱能，通過傳導(dǎo)散發(fā)到低壓繞組，由冷卻液一起帶走。

2、環(huán)形銅帶繞組，低壓繞組制成平面的環(huán)狀，一個環(huán)為一匝，環(huán)的厚度為2~3 倍穿透深度，初級繞組線徑為1~1.5 倍穿透深度，這樣的組合交流電阻很小。圖例中的 6 個環(huán)，，通過不同的鉚接，可組合為6 匝，3 匝，2 匝及1 匝四種連接方式。環(huán)的倒角部份，通過云母片與散熱器（可加風(fēng)扇）連接散熱，解決繞組的發(fā)熱問題

3, 環(huán)形變壓器

環(huán)形變壓器具有夸張的繞組散熱面積，是一種很好的散熱結(jié)構(gòu)。但由于磁芯的最佳工作溫度約90 度，要求繞組表面溫度要適當(dāng)小于90 度，否則磁芯溫度會過高。加上環(huán)形高導(dǎo)磁件容易飽合，可用的磁密較小，因此功率密度的提高受到限制。

4，增加變壓器的整體表面積如平面變壓器，通過將變壓器壓扁，提高表面積與體積的比值，降低熱阻，獲得較高的功率密度

5，王氏多磁路變壓器

將多個小型磁件組合，通過接近 2 倍的繞組數(shù)量，大幅度提高變壓器繞組自身的散熱能力，達到高功率密度

為簡單起見，僅以兩付磁芯拼合為例，實際應(yīng)用中為更多的磁芯拼合為多磁路變壓器。

1, 繞組數(shù)量增加為由N 增加為2N-1（N 為組合磁芯的數(shù)量），繞組總（散熱）表面積增大；

2，每個繞組的厚度減半，在同等溫升及冷卻條件下，允許1.414 倍的電流密度

3，可以方便實現(xiàn)1/2, 1/3,1/4, 1/5 甚至更小的分?jǐn)?shù)匝，利于讓磁芯工作在最佳的磁通密度下（通常情況下，我們常常會受此困擾，如有時用1600GS 需要2.3 匝，一般只好取2 匝，然后磁密提高到1840GS, 或是降低一些占空比，很是麻煩）

4，因為精確的分?jǐn)?shù)匝，利于多組輸出的精確電壓分布（利用同步整流及電子變壓器定變比變換技術(shù)）

優(yōu)化的多磁路變壓器及磁芯

-END-