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求一種可控漏感的磁集成變壓器設計方案

2023-07-04 03:45:37 來源:教皇黑科技工作室

磁****集成技術

所謂磁集成技術,就是將多個電感、變壓器繞在一個磁芯上;再通俗一點,就是把電感集成在變壓器之中。主要的目的有:


(資料圖)

減少體積提高功率密度節省成本提高效率,改善綜合性能(寄生參數影響更小、設計得好還可以減小磁通脈動)。

最直觀得益于這項技術的感受,莫過于手里體積越來越小的手機充電器和電腦充電器。而隨著氮化鎵GaN半導體的出現,開關頻率可達到MHz級別,使得PCB變壓器成為可能。

理想變壓器并不存在,任何一個變壓器都有漏電感,應用最為廣泛的變壓器T型等效模型中,也對漏電感進行了建模。

大多數情況,我們希望這個漏感足夠小,但在有些情況我們需要利用這個漏感,如果這個漏感的特性和我們所需要的電感相同,也就完成了電感在變壓器中集成。在某些情況,尤其是諧振變換器的應用中,電感需要精確設計,而在磁集成變壓器中,則轉變為對漏電感的精確控制。

磁****路分析

左下圖是一種典型的磁集成變壓器結構,有中心柱和兩個邊柱,為方便闡述,兩個邊柱我命名為A柱和B柱。中心柱和邊柱都留有氣隙,邊柱柱氣隙磁阻為 Rg1,中心柱柱氣隙磁阻為 Rg2

(這里一共有四部分繞組,原邊(primary)繞在A柱上的匝數記為 NPA,副邊(secondary)繞在B柱上的匝數記為 NSB,以此類推)

原邊繞組 NPANPB和副邊繞組 NSANSB,非對稱地繞在兩個邊柱上。

根據磁路理論,可導出為右上圖所示的 磁路模型。這里有一個重要的假設:磁芯磁導率足夠大,磁導線集中在磁芯內部。

電流的繞組轉化為磁動勢(MMF,Magnetic Motive Force)

MMF=NI

空氣氣隙轉化為磁阻:

lg1, lg2——邊柱和中心柱的氣隙長度

Ae1, Ae2——邊柱和中心柱的有效截面積

μ0——真空磁導率

上述兩個公式可以由安培環路定律直接推導出來。

對照著磁路模型,可以直接用”支路磁通法”列出方程組:

原邊總匝數N1= NPA+ NPB, 副邊總匝數N2=NSA+NSB

可解得

這里的ΦK就是漏磁通,前面提到變壓器需要非對稱繞制,這是因為如果對稱繞制( NPA= NPB, * N SA* = NSB),則理論上漏磁通為0。

這種結構的磁集成變壓器能獲得較好的EMC特性,是因為它的漏磁通集中在變壓器內部的中心柱,沒有對外輻射。

回到電路

到目前為止,似乎都是在分析磁通,還沒有和我們所關心的漏電感扯上關系,再回到變壓器的T型等效電路。

接下來我們需要找到磁路模型和電路模型之間的對應關系,用二端口網絡來描述這個變壓器(由于變壓器為無源線性網絡,一定是互易二端口網絡,只有3個獨立參數):

從磁路模型最后的結果繼續,結合法拉第電磁感應定律有:

兩種描述變壓器的方式應當殊途同歸,代入ΦA和Φ B,可得到自感L11L22及互感L12與繞組匝數之間的關系:

進一步我們就可以算出勵磁電感和漏感了,總算大功告成。

由此可見,漏電感的大小和 匝數繞法磁阻相關,而磁阻又和 截面積氣隙長度相關,只要調整這些參數,就能得到想要的漏感大小。

如果A柱和B柱匝數相同,且變比為1( NPA= NSB, * N SA* = NPB),則漏感的表達式可進一步簡化為

基于此,可進一步的歸納一些規律:原邊漏電感的大小,近似正比于原邊繞組在兩個磁柱分別繞制 匝數差的平方,反比于磁阻。

符號也許不太直觀,這里舉個使用4層板的PCB變壓器的例子

其對應的匝數為:

根據上文結論,可計算其勵磁電感及漏感

路****在何方?

此時一定應該有的疑問是:這樣的分析方法真的足夠精確嗎?

很遺憾,經過樣品實測,理論推導模型的結果與實際參數偏差約5%。這里我還使用到了有限元磁仿真軟件Ansys Maxwell,得到的結果更加精確,與樣品實測僅偏差<1%。

理論模型誤差較大的原因在于,在分析的開始,我們假設了磁導率足夠大忽略了空氣磁路。

而事實上,磁導率不足夠大時,導致氣隙邊緣效應、空氣磁路并不能忽略,這點從仿真得到的磁場分布圖中可以看出。

所以更為合理的設計方式是:先利用磁路推導的理論結果進行初步設計,然后在磁仿真中驗證,這些公式的價值也在于指導調整設計參數的方向。

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