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開關(guān)電源中高頻磁性元件的設(shè)計(jì)關(guān)于電路能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)和各項(xiàng)性能指標(biāo)能否合格起著至關(guān)重要的作用。加上高頻磁性元件的設(shè)計(jì)中還包括許多細(xì)節(jié)的知識(shí)點(diǎn)，而這些細(xì)節(jié)內(nèi)容很難被一本或幾本所謂的“設(shè)計(jì)大全”一一羅列清楚。為了優(yōu)化高頻磁性元件，必須依據(jù)使用場(chǎng)所，歸納考慮多個(gè)變量進(jìn)行設(shè)計(jì)，重復(fù)核算調(diào)整。正因?yàn)榇?，高頻磁性元件的設(shè)計(jì)一直是令人頭疼的難題，甚至是有多年作業(yè)經(jīng)歷的開關(guān)電源工程師也還是困擾著。
許多文獻(xiàn)及相關(guān)技能資料給出的磁性元件設(shè)計(jì)方法或公式往往直接忽略了某些應(yīng)用場(chǎng)所的變量影響，作了假定簡(jiǎn)化后得出一套公式；或許并未交代清楚公式的運(yùn)用條件，甚至有些文獻(xiàn)所傳達(dá)的信息自身就不正確。許多開關(guān)電源設(shè)計(jì)并沒有意識(shí)到這一點(diǎn)，直接套用設(shè)計(jì)手冊(cè)中的公式，或把設(shè)計(jì)手冊(cè)中某些話斷章取義，而沒有進(jìn)行透徹的分析和考慮，以及試驗(yàn)的驗(yàn)證。其成果往往是設(shè)計(jì)出來(lái)的高頻磁性元件不能滿足運(yùn)用場(chǎng)合的要求，影響了研制的發(fā)展和項(xiàng)目的如期結(jié)束。
為了使開關(guān)電源設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)進(jìn)程中，避免犯同樣的錯(cuò)誤，為此，我們針對(duì)在學(xué)習(xí)和研制中遇到的一些概念性的問題進(jìn)行了總結(jié)，期望能給我們供給一個(gè)學(xué)習(xí)。
一些錯(cuò)誤概念的剖析
這兒介紹開關(guān)電源高頻磁性元件設(shè)計(jì)中8種常見的錯(cuò)誤概念，并加以具體的剖析。
開關(guān)電源
1、優(yōu)化的設(shè)計(jì)
許多設(shè)計(jì)人員認(rèn)為在高頻磁性元件設(shè)計(jì)中，填滿磁芯窗口可以獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)，其實(shí)否則。在多例高頻變壓器和電感的設(shè)計(jì)中，我們可以發(fā)現(xiàn)多添加一層或幾層繞組，或選用更大線徑的漆包線，不但不能獲得優(yōu)化的作用，反而會(huì)因?yàn)槔@線中的鄰近效應(yīng)而增大繞組總損耗。因此在高頻磁性元件設(shè)計(jì)中，即使繞線沒把鐵芯窗口繞滿，只繞滿了窗口面積的25％，也沒有聯(lián)絡(luò)。不必非得主見設(shè)法填滿整個(gè)窗口面積。
這種錯(cuò)誤概念主要是受工頻磁性元件設(shè)計(jì)的影響。在工頻變壓器設(shè)計(jì)中，側(cè)重鐵芯和繞組的整體性，因此不期望鐵芯與繞組中心有空隙，一般都設(shè)計(jì)成繞組填滿整個(gè)窗口，然后確保其機(jī)械安穩(wěn)性。但高頻磁性元件設(shè)計(jì)并沒有這個(gè)要求。
2、“鐵損=銅損”——優(yōu)化的變壓器設(shè)計(jì)
許多開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中甚至在許多磁性元件設(shè)計(jì)參考書中都把“鐵損=銅損”列為高頻變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)之一，其實(shí)否則。在高頻變壓器的設(shè)計(jì)中，鐵損和銅損可以相差較大，有時(shí)兩者不同甚至可以抵達(dá)一個(gè)數(shù)量級(jí)之大，但這并不代表該高頻變壓器設(shè)計(jì)不好。
這種錯(cuò)誤概念也是受工頻變壓器設(shè)計(jì)的影響。工頻變壓器往往因?yàn)槔@組匝數(shù)較多，所占面積較大，因此從熱安穩(wěn)、熱均勻視點(diǎn)動(dòng)身，得出“鐵損=銅損”這一經(jīng)歷設(shè)計(jì)規(guī)則。但關(guān)于高頻變壓器，選用十分細(xì)的漆包線作為繞組，這一經(jīng)歷規(guī)律并不樹立。在開關(guān)電源高頻變壓器設(shè)計(jì)中，確認(rèn)優(yōu)化設(shè)計(jì)有許多要素，而“鐵損=銅損”其實(shí)是最少受重視的一個(gè)方面。
3、漏感=1％的磁化電感
許多開關(guān)電源在設(shè)計(jì)好磁性元件后，把相關(guān)的技能要求提交給變壓器制造廠家時(shí)，往往要對(duì)漏感大小要求進(jìn)行說(shuō)明。在許多技能單上，標(biāo)示著“漏感=1％的磁化電感”或“漏感<2％的磁化電感”等類似的技能要求。其實(shí)這種說(shuō)法很不專業(yè)。開關(guān)電源設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)依據(jù)電路正常作業(yè)要求,對(duì)所能接受的漏感值作一個(gè)數(shù)值束縛。在變壓器的制造進(jìn)程中，應(yīng)在不使變壓器的其它參數(shù)（如匝間電容等）變差的情況下盡或許地減小漏感值，而非給出漏感與磁化電感的比例聯(lián)絡(luò)作為技能要求。因?yàn)槁└信c磁化電感的聯(lián)絡(luò)隨變壓器有無(wú)氣隙改變很大。無(wú)氣隙時(shí)，漏感或許小于磁化電感的0.1％,而在有氣隙時(shí)，即使變壓器繞組耦合得很嚴(yán)密，漏感與磁化電感的比例聯(lián)絡(luò)卻或許抵達(dá)10％。
因此，不要把漏感與磁化電感的比例聯(lián)絡(luò)作為變壓器設(shè)計(jì)指標(biāo)供給給磁性元件生產(chǎn)商。否則，這將標(biāo)明你不了解漏感知識(shí)或并不實(shí)在關(guān)心實(shí)踐的漏感值。正確的做法是規(guī)則清楚可以接受的漏感肯定數(shù)值，當(dāng)然可以加上或減去一定的比例，這個(gè)比例的典型值為20％。
4、漏感與磁芯磁導(dǎo)率有聯(lián)絡(luò)
有些開關(guān)電源設(shè)計(jì)認(rèn)為，給繞組加上磁芯，會(huì)使繞組耦合更嚴(yán)密，可下降繞組間的漏感；也有些開關(guān)電源設(shè)計(jì)認(rèn)為，繞組加上磁芯后，磁芯會(huì)與繞組間的場(chǎng)互相耦合，可添加漏感量。而事實(shí)是，在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，兩個(gè)同軸繞組變壓器的漏感與有無(wú)磁芯存在并無(wú)聯(lián)絡(luò)。這一成果或許令人無(wú)法了解，這是因?yàn)?，一種相對(duì)磁導(dǎo)率為幾千的材料接近線圈后，對(duì)漏感的影響很小。通過幾百組變壓器的實(shí)測(cè)成果標(biāo)明，有無(wú)磁芯存在，漏感改變值基本上不會(huì)超越10％，許多改變只需2％左右。
5、變壓器繞組電流密度的優(yōu)化值為2A/mm2～3.1A/mm2
許多開關(guān)電源設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)高頻磁性元件時(shí)，往往把繞組中的電流密度大小視為優(yōu)化設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。其實(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)與繞組電流密度大小并沒有聯(lián)絡(luò)。實(shí)在有聯(lián)絡(luò)的是繞組中有多少損耗，以及散熱方法是否滿足確保溫升在容許的范圍之內(nèi)。
我們可以想象一下開關(guān)電源中散熱方法的兩種極限情況。當(dāng)散熱分別選用液浸和真空時(shí)，繞線中相應(yīng)的電流密度會(huì)相差較大。
在開關(guān)電源的實(shí)踐研制中，我們并不關(guān)心電流密度是多大，而關(guān)心的只是線包有多熱？溫升是否可以接受？
這種錯(cuò)誤概念，是設(shè)計(jì)人員為了避免繁瑣的重復(fù)試算，而人為所加的束縛，來(lái)簡(jiǎn)化變量數(shù)，然后簡(jiǎn)化核算進(jìn)程，但這一簡(jiǎn)化并未說(shuō)明運(yùn)用條件。
6、原邊繞組損耗=副邊繞組損耗”—優(yōu)化的變壓器設(shè)計(jì)
許多開關(guān)電源設(shè)計(jì)認(rèn)為優(yōu)化的變壓器設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)著變壓器的原邊繞組損耗與副邊繞組損耗相等。甚至在許多磁性元件的設(shè)計(jì)書中也把此作為一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。其實(shí)這并非什么優(yōu)化設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。在某些情況下變壓器的鐵損和銅損或許相近。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聯(lián)絡(luò)。有必要再次側(cè)重的是，關(guān)于高頻磁性元件設(shè)計(jì)我們所關(guān)心的是在所運(yùn)用的散熱方法下，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(shè)計(jì)的一種經(jīng)歷規(guī)則。
7、繞組直徑小于穿透深度—高頻損耗就會(huì)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許多層，即使繞線選用線徑比穿透深度細(xì)得多的漆包線，也或許會(huì)因?yàn)橛泻軓?qiáng)的鄰近效應(yīng)而產(chǎn)生很大的高頻損耗。因此在考慮繞組損耗時(shí)，不能僅僅從漆包線的粗細(xì)來(lái)判別損耗大小，要?dú)w納考慮整個(gè)繞組結(jié)構(gòu)的組織，包括繞組繞制方法、繞組層數(shù)、繞線粗細(xì)等。
8、正激式電路中變壓器的開路諧振頻率有必要比開關(guān)頻率高得多
許多開關(guān)電源在設(shè)計(jì)和檢測(cè)變壓器時(shí)認(rèn)為變壓器的開路諧振頻率有必要比變換器的開關(guān)頻率高得多。其實(shí)否則，變壓器的開路諧振頻率與開關(guān)頻率的大小并無(wú)聯(lián)絡(luò)。我們可以想象一下極限情況：關(guān)于抱負(fù)磁芯，其電感量無(wú)窮大，但也會(huì)有一個(gè)相對(duì)很小的匝間電容，其諧振頻率近似為零，比開關(guān)頻率小得多。實(shí)在與電路有聯(lián)絡(luò)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(yīng)當(dāng)在開關(guān)頻率的兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。
