開關電源中高頻磁性元件設計常見錯誤概念
1 引言
開關電源中高頻磁性元件的設計對于電路的正常工作和各項性能指標的實現非常關鍵.加之高頻磁性元件設計包括很多細節知識點,而這些細節內容很難被一本或幾本所謂的“ 設計大全 ” 一一羅列清楚 [1 - 3] .為了優化設計高頻磁性元件,必須根據應用場合,綜合考慮多個設計變量,反復計算調整.正由于此,高頻磁性元件設計一直是令初涉電源領域的設計人員頭疼的難題,乃至是困擾有多年工作經驗的電源工程師的問題.
很多文獻及相關技術資料給出的磁性元件設計方法或公式往往直接忽略了某些設計變量的影響,作了假設簡化后得出一套公式;或者并未交代清楚公式的應用條件,甚至有些文獻所傳達的信息本身就不正確.很多電源設計者并沒有意識到這一點,直接套用設計手冊中的公式,或把設計手冊中某些話斷章取義,尊為 “ 設計綱領 ” ,而沒有進行透徹的分析和思考,以及實驗的驗證.其結果往往是設計出來的高頻磁性元件不能滿足應用場合的要求,影響了研發的進度和項目的按期完成.
為了使電源設計者在設計過程中,避免犯同樣的錯誤,為此,我們針對在學習和研發中遇到的一些概念性的問題進行了總結,希望能給大家提供一個借鑒.
2 一些錯誤概念的辨析
這里以小標題形式給出開關電源高頻磁性元件設計中 8 種常見的錯誤概念,并加以詳細的辨析.
1 )填滿磁芯窗口 —— 優化的設計
很多電源設計人員認為在高頻磁性元件設計中,填滿磁芯窗口可以獲得最優設計,其實不然.在多例高頻變壓器和電感的設計中,我們可以發現多增加一層或幾層繞組,或采用更大線徑的漆包線,不但不能獲得優化的效果,反而會因為繞線中的鄰近效應而增大繞組總損耗.因此在高頻磁性元件設計中,即使繞線沒把鐵芯窗口繞滿,只繞滿了窗口面積的 25 %,也沒有關系.不必非得想法設法填滿整個窗口面積.
這種錯誤概念主要是受工頻磁性元件設計的影響.在工頻變壓器設計中,強調鐵芯和繞組的整體性,因而不希望鐵芯與繞組中間有間隙,一般都設計成繞組填滿整個窗口,從而保證其機械穩定性.但高頻磁性元件設計并沒有這個要求.
2 ) “ 鐵損 = 銅損 ”—— 優化的變壓器設計
很多電源設計者,甚至在很多磁性元件設計參考書中都把 “ 鐵損 = 銅損 ” 列為高頻變壓器優化設計的標準之一,其實不然.在高頻變壓器的設計中,鐵損和銅損可以相差較大,有時兩者差別甚至可以達到一個數量級之大,但這并不代表該高頻變壓器設計不好 [4] .
這種錯誤概念也是受工頻變壓器設計的影響.工頻變壓器往往因為繞組匝數較多,所占面積較大,因而從熱穩定、熱均勻角度出發,得出 “ 鐵損 = 銅損 ” 這一經驗設計規則.但對于高頻變壓器,采用非常細的漆包線作為繞組,這一經驗法則并不成立.在開關電源高頻變壓器設計中,確定優化設計有很多因素,而 “ 鐵損 = 銅損 ” 其實是最少受關注的一個方面.
3 )漏感 =1 %的磁化電感
很多電源設計者在設計好磁性元件后,把相關的技術要求提交給變壓器制作廠家時,往往要對漏感大小要求進行說明.在很多技術單上,標注著 “ 漏感 =1 %的磁化電感 ” 或 “ 漏感 <2 %的磁化電感 ” 等類似的技術要求.其實這種寫法或設計標準很不專業.電源設計者應當根據電路正常工作要求 , 對所能接受的漏感值作一個數值限制.在制作變壓器的過程中,應在不使變壓器的其它參數(如匝間電容等)變差的情況下盡可能地減小漏感值,而非給出漏感與磁化電感的比例關系作為技術要求.因為漏感與磁化電感的關系隨變壓器有無氣隙變化很大.無氣隙時,漏感可能小于磁化電感的 0.1 % , 而在有氣隙時,即使變壓器繞組耦合得很緊密,漏感與磁化電感的比例關系卻可能達到 10 % [5] .
因此,不要把漏感與磁化電感的比例關系作為變壓器設計指標提供給磁性元件生產商.否則,這將表明你不理解漏感知識或并不真正關心實際的漏感值.正確的做法是規定清楚可以接受的漏感絕對數值,當然可以加上或減去一定的比例,這個比例的典型值為 20 %.
4 )漏感與磁芯磁導率有關系
有些電源設計者認為,給繞組加上磁芯,會使繞組耦合更緊密,可降低繞組間的漏感;也有些電源設計者認為,繞組加上磁芯后,磁芯會與繞組間的場相互耦合,可增加漏感量.
而事實是,在開關電源設計中,兩個同軸繞組變壓器的漏感與有無磁芯存在并無關系.這一結果可能令人無法理解,這是因為,一種相對磁導率為幾千的材料靠近線圈后,對漏感的影響很小.通過幾百組變壓器的實測結果表明,有無磁芯存在,漏感變化值基本上不會超過 10 %,很多變化只有 2 %左右.
5 )變壓器繞組電流密度的優化值為 2A /mm2 ~ 3.1A /mm2
很多電源設計者在設計高頻磁性元件時,往往把繞組中的電流密度大小視為優化設計的標準.其實優化設計與繞組電流密度大小并沒有關系.真正有關系的是繞組中有多少損耗,以及散熱措施是否足夠保證溫升在允許的范圍之內.
我們可以設想一下開關電源中散熱措施的兩種極限情況.當散熱分別采用液浸和真空時,繞線中相應的電流密度會相差較大.
在開關電源的實際研制中,我們并不關心電流密度是多大,而關心的只是線包有多熱?溫升是否可以接受?
這種錯誤概念,是設計人員為了避免繁瑣的反復試算,而人為所加的限制,來簡化變量數,從而簡化計算過程,但這一簡化并未說明應用條件.
6 )原邊繞組損耗 = 副邊繞組損耗 ”—— 優化的變壓器設計
很多電源設計者認為優化的變壓器設計對應著變壓器的原邊繞組損耗與副邊繞組損耗相等.甚至在很多磁性元件的設計書中也把此作為一個優化設計的標準.其實這并非什么優化設計的標準.在某些情況下變壓器的鐵損和銅損可能相近.但如果原邊繞組損耗與副邊繞組損耗相差較大也沒有多大關系.
必須再次強調的是,對于高頻磁性元件設計我們所關心的是在所使用的散熱方式下,繞組有多熱?原邊繞組損耗 = 副邊繞組損耗只是工頻變壓器設計的一種經驗規則.
7 )繞組直徑小于穿透深度 —— 高頻損耗就會很小
繞組直徑小于穿透深度并不能代表就沒有很大的高頻損耗.如果變壓器繞組中有很多層,即使繞線采用線徑比穿透深度細得多的漆包線,也可能會因為有很強的鄰近效應而產生很大的高頻損耗.因此在考慮繞組損耗時,不能僅僅從漆包線的粗細來判斷損耗大小,要綜合考慮整個繞組結構的安排,包括繞組繞制方式、繞組層數、繞線粗細等.
8 )正激式電路中變壓器的開路諧振頻率必須比開關頻率高得多
很多電源設計人員在設計和檢測變壓器時認為變壓器的開路諧振頻率必須比變換器的開關頻率高得多.其實不然,變壓器的開路諧振頻率與開關頻率的大小并無關系.我們可以設想一下極限情況:對于理想磁芯,其電感量無窮大,但也會有一個相對很小的匝間電容,其諧振頻率近似為零,比開關頻率小得多.
真正與電路有關系的是變壓器的短路諧振頻率.一般情況下,變壓器的短路諧振頻率都應當在開關頻率的兩個數量級以上.
3 結語
為了使電源設計者在電源設計過程中,少犯同樣的錯誤,就我們在開關電源的研發中遇到的一些與高頻磁性元件設計相關的概念性問題進行了總結,希望能起到拋磚引玉的作用.
開關電源中高頻磁性元件的設計對于電路的正常工作和各項性能指標的實現非常關鍵.加之高頻磁性元件設計包括很多細節知識點,而這些細節內容很難被一本或幾本所謂的“ 設計大全 ” 一一羅列清楚 [1 - 3] .為了優化設計高頻磁性元件,必須根據應用場合,綜合考慮多個設計變量,反復計算調整.正由于此,高頻磁性元件設計一直是令初涉電源領域的設計人員頭疼的難題,乃至是困擾有多年工作經驗的電源工程師的問題.
很多文獻及相關技術資料給出的磁性元件設計方法或公式往往直接忽略了某些設計變量的影響,作了假設簡化后得出一套公式;或者并未交代清楚公式的應用條件,甚至有些文獻所傳達的信息本身就不正確.很多電源設計者并沒有意識到這一點,直接套用設計手冊中的公式,或把設計手冊中某些話斷章取義,尊為 “ 設計綱領 ” ,而沒有進行透徹的分析和思考,以及實驗的驗證.其結果往往是設計出來的高頻磁性元件不能滿足應用場合的要求,影響了研發的進度和項目的按期完成.
為了使電源設計者在設計過程中,避免犯同樣的錯誤,為此,我們針對在學習和研發中遇到的一些概念性的問題進行了總結,希望能給大家提供一個借鑒.
2 一些錯誤概念的辨析
這里以小標題形式給出開關電源高頻磁性元件設計中 8 種常見的錯誤概念,并加以詳細的辨析.
1 )填滿磁芯窗口 —— 優化的設計
很多電源設計人員認為在高頻磁性元件設計中,填滿磁芯窗口可以獲得最優設計,其實不然.在多例高頻變壓器和電感的設計中,我們可以發現多增加一層或幾層繞組,或采用更大線徑的漆包線,不但不能獲得優化的效果,反而會因為繞線中的鄰近效應而增大繞組總損耗.因此在高頻磁性元件設計中,即使繞線沒把鐵芯窗口繞滿,只繞滿了窗口面積的 25 %,也沒有關系.不必非得想法設法填滿整個窗口面積.
這種錯誤概念主要是受工頻磁性元件設計的影響.在工頻變壓器設計中,強調鐵芯和繞組的整體性,因而不希望鐵芯與繞組中間有間隙,一般都設計成繞組填滿整個窗口,從而保證其機械穩定性.但高頻磁性元件設計并沒有這個要求.
2 ) “ 鐵損 = 銅損 ”—— 優化的變壓器設計
很多電源設計者,甚至在很多磁性元件設計參考書中都把 “ 鐵損 = 銅損 ” 列為高頻變壓器優化設計的標準之一,其實不然.在高頻變壓器的設計中,鐵損和銅損可以相差較大,有時兩者差別甚至可以達到一個數量級之大,但這并不代表該高頻變壓器設計不好 [4] .
這種錯誤概念也是受工頻變壓器設計的影響.工頻變壓器往往因為繞組匝數較多,所占面積較大,因而從熱穩定、熱均勻角度出發,得出 “ 鐵損 = 銅損 ” 這一經驗設計規則.但對于高頻變壓器,采用非常細的漆包線作為繞組,這一經驗法則并不成立.在開關電源高頻變壓器設計中,確定優化設計有很多因素,而 “ 鐵損 = 銅損 ” 其實是最少受關注的一個方面.
3 )漏感 =1 %的磁化電感
很多電源設計者在設計好磁性元件后,把相關的技術要求提交給變壓器制作廠家時,往往要對漏感大小要求進行說明.在很多技術單上,標注著 “ 漏感 =1 %的磁化電感 ” 或 “ 漏感 <2 %的磁化電感 ” 等類似的技術要求.其實這種寫法或設計標準很不專業.電源設計者應當根據電路正常工作要求 , 對所能接受的漏感值作一個數值限制.在制作變壓器的過程中,應在不使變壓器的其它參數(如匝間電容等)變差的情況下盡可能地減小漏感值,而非給出漏感與磁化電感的比例關系作為技術要求.因為漏感與磁化電感的關系隨變壓器有無氣隙變化很大.無氣隙時,漏感可能小于磁化電感的 0.1 % , 而在有氣隙時,即使變壓器繞組耦合得很緊密,漏感與磁化電感的比例關系卻可能達到 10 % [5] .
因此,不要把漏感與磁化電感的比例關系作為變壓器設計指標提供給磁性元件生產商.否則,這將表明你不理解漏感知識或并不真正關心實際的漏感值.正確的做法是規定清楚可以接受的漏感絕對數值,當然可以加上或減去一定的比例,這個比例的典型值為 20 %.
4 )漏感與磁芯磁導率有關系
有些電源設計者認為,給繞組加上磁芯,會使繞組耦合更緊密,可降低繞組間的漏感;也有些電源設計者認為,繞組加上磁芯后,磁芯會與繞組間的場相互耦合,可增加漏感量.
而事實是,在開關電源設計中,兩個同軸繞組變壓器的漏感與有無磁芯存在并無關系.這一結果可能令人無法理解,這是因為,一種相對磁導率為幾千的材料靠近線圈后,對漏感的影響很小.通過幾百組變壓器的實測結果表明,有無磁芯存在,漏感變化值基本上不會超過 10 %,很多變化只有 2 %左右.
5 )變壓器繞組電流密度的優化值為 2A /mm2 ~ 3.1A /mm2
很多電源設計者在設計高頻磁性元件時,往往把繞組中的電流密度大小視為優化設計的標準.其實優化設計與繞組電流密度大小并沒有關系.真正有關系的是繞組中有多少損耗,以及散熱措施是否足夠保證溫升在允許的范圍之內.
我們可以設想一下開關電源中散熱措施的兩種極限情況.當散熱分別采用液浸和真空時,繞線中相應的電流密度會相差較大.
在開關電源的實際研制中,我們并不關心電流密度是多大,而關心的只是線包有多熱?溫升是否可以接受?
這種錯誤概念,是設計人員為了避免繁瑣的反復試算,而人為所加的限制,來簡化變量數,從而簡化計算過程,但這一簡化并未說明應用條件.
6 )原邊繞組損耗 = 副邊繞組損耗 ”—— 優化的變壓器設計
很多電源設計者認為優化的變壓器設計對應著變壓器的原邊繞組損耗與副邊繞組損耗相等.甚至在很多磁性元件的設計書中也把此作為一個優化設計的標準.其實這并非什么優化設計的標準.在某些情況下變壓器的鐵損和銅損可能相近.但如果原邊繞組損耗與副邊繞組損耗相差較大也沒有多大關系.
必須再次強調的是,對于高頻磁性元件設計我們所關心的是在所使用的散熱方式下,繞組有多熱?原邊繞組損耗 = 副邊繞組損耗只是工頻變壓器設計的一種經驗規則.
7 )繞組直徑小于穿透深度 —— 高頻損耗就會很小
繞組直徑小于穿透深度并不能代表就沒有很大的高頻損耗.如果變壓器繞組中有很多層,即使繞線采用線徑比穿透深度細得多的漆包線,也可能會因為有很強的鄰近效應而產生很大的高頻損耗.因此在考慮繞組損耗時,不能僅僅從漆包線的粗細來判斷損耗大小,要綜合考慮整個繞組結構的安排,包括繞組繞制方式、繞組層數、繞線粗細等.
8 )正激式電路中變壓器的開路諧振頻率必須比開關頻率高得多
很多電源設計人員在設計和檢測變壓器時認為變壓器的開路諧振頻率必須比變換器的開關頻率高得多.其實不然,變壓器的開路諧振頻率與開關頻率的大小并無關系.我們可以設想一下極限情況:對于理想磁芯,其電感量無窮大,但也會有一個相對很小的匝間電容,其諧振頻率近似為零,比開關頻率小得多.
真正與電路有關系的是變壓器的短路諧振頻率.一般情況下,變壓器的短路諧振頻率都應當在開關頻率的兩個數量級以上.
3 結語
為了使電源設計者在電源設計過程中,少犯同樣的錯誤,就我們在開關電源的研發中遇到的一些與高頻磁性元件設計相關的概念性問題進行了總結,希望能起到拋磚引玉的作用.
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