開關(guān)電源中高頻磁性組件設(shè)計(jì)常見錯(cuò)誤概念辨析
很多電源工程師對(duì)開關(guān)電源中高頻磁性組件的設(shè)計(jì)存在錯(cuò)誤的概念，其設(shè)計(jì)出來的高頻磁性組件不能滿足應(yīng)用場合的要求，影響了研發(fā)的進(jìn)度和項(xiàng)目的按期完成。基于開關(guān)電源及高頻磁性組件設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)一些概念性錯(cuò)誤進(jìn)行了辨析，希望能給大家提供借鑒，順利完成高頻磁性組件的設(shè)計(jì)以及整個(gè)項(xiàng)目的研制。
引言
開關(guān)電源中高頻磁性組件的設(shè)計(jì)對(duì)于電路的正常工作和各項(xiàng)性能指針的實(shí)現(xiàn)非常關(guān)鍵。加之高頻磁性組件設(shè)計(jì)包括很多細(xì)節(jié)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[1－3]。為了優(yōu)化設(shè)計(jì)高頻磁性組件，必須根據(jù)應(yīng)用場合，綜合考慮多個(gè)設(shè)計(jì)變量，反復(fù)計(jì)算調(diào)整。正由于此，高頻磁性組件設(shè)計(jì)一直是令初涉電源領(lǐng)域的設(shè)計(jì)人員頭疼的難題，乃至是困擾有多年工作經(jīng)驗(yàn)的電源工程師的問題。
很多文獻(xiàn)及相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)給出的磁性組件設(shè)計(jì)方法或公式往往直接忽略了某些設(shè)計(jì)變量的影響，作了假設(shè)簡化后得出一套公式；或者并未交代清楚公式的應(yīng)用條件，甚至有些文獻(xiàn)所傳達(dá)的信息本身就不正確。很多電源設(shè)計(jì)者并沒有意識(shí)到這一點(diǎn)，直接套用設(shè)計(jì)手冊中的公式，或把設(shè)計(jì)手冊中某些話斷章取義，尊為“設(shè)計(jì)綱領(lǐng)”，而沒有進(jìn)行透徹的分析和思考，以及實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。其結(jié)果往往是設(shè)計(jì)出來的高頻磁性組件不能滿足應(yīng)用場合的要求，影響了研發(fā)的進(jìn)度和項(xiàng)目的按期完成。 為了使電源設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過程中，避免犯同樣的錯(cuò)誤，為此，我們針對(duì)在學(xué)習(xí)和研發(fā)中遇到的一些概念性的問題進(jìn)行了總結(jié)，希望能給大家提供一個(gè)借鑒。
一些錯(cuò)誤概念的辨析 這里以小標(biāo)題形式給出開關(guān)電源高頻磁性組件設(shè)計(jì)中8種常見的錯(cuò)誤概念，并加以詳細(xì)的辨析。
1）填滿磁芯窗口——優(yōu)化的設(shè)計(jì) 很多電源設(shè)計(jì)人員認(rèn)為在高頻磁性組件設(shè)計(jì)中，填滿磁芯窗口可以獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)，其實(shí)不然。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(yōu)化的效果，反而會(huì)因?yàn)槔@線中的鄰近效應(yīng)而增大繞組總損耗。因此在高頻磁性組件設(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％，也沒有關(guān)系。不必非得想法設(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組件設(shè)計(jì)的影響。在工頻變壓器設(shè)計(jì)中，強(qiáng)調(diào)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(shè)計(jì)成繞組填滿整個(gè)窗口，從而保證其機(jī)械穩(wěn)定性。但高頻磁性組件設(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) 很多電源設(shè)計(jì)者，甚至在很多磁性組件設(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)不然。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)兩者差別甚至可以達(dá)到一個(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[4]。 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，因而從熱穩(wěn)定、熱均勻角度出發(fā)，得出“鐵損=銅損”這一經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)規(guī)則。但對(duì)于高頻變壓器，采用非常細(xì)的漆包線作為繞組，這一經(jīng)驗(yàn)法則并不成立。在開關(guān)電源高頻變壓器設(shè)計(jì)中，確定優(yōu)化設(shè)計(jì)有很多因素，而“鐵損=銅損”其實(shí)是最少受關(guān)注的一個(gè)方面。
3）漏感=1％的磁化電感 很多電源設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)好磁性組件后，把相關(guān)的技術(shù)要求提交給變壓器制作廠家時(shí)，往往要對(duì)漏感大小要求進(jìn)行說明。在很多技術(shù)單上，標(biāo)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(shù)要求。其實(shí)這種寫法或設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)很不專業(yè)。
電源設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)根據(jù)電路正常工作要求,對(duì)所能接受的漏感值作一個(gè)數(shù)值限制。在制作變壓器的過程中，應(yīng)在不使變壓器的其它參數(shù)（如匝間電容等）變差的情況下盡可能地減小漏感值，而非給出漏感與磁化電感的比例關(guān)系作為技術(shù)要求。因?yàn)槁└信c磁化電感的關(guān)系隨變壓器有無氣隙變化很大。無氣隙時(shí)，漏感可能小于磁化電感的0.1％,而在有氣隙時(shí)，即使變壓器繞組耦合得很緊密，漏感與磁化電感的比例關(guān)系卻可能達(dá)到10％[5]。
因此，不要把漏感與磁化電感的比例關(guān)系作為變壓器設(shè)計(jì)指針提供給磁性組件生產(chǎn)商。否則，這將表明你不理解漏感知識(shí)或并不真正關(guān)心實(shí)際的漏感值。正確的做法是規(guī)定清楚可以接受的漏感絕對(duì)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)率有關(guān)系 有些電源設(shè)計(jì)者認(rèn)為，給繞組加上磁芯，會(huì)使繞組耦合更緊密，可降低繞組間的漏感；也有些電源設(shè)計(jì)者認(rèn)為，繞組加上磁芯后，磁芯會(huì)與繞組間的場相互耦合，可增加漏感量。
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磁芯存在并無關(guān)系。這一結(jié)果可能令人無法理解，這是因?yàn)椋环N相對(duì)磁導(dǎo)率為幾千的材料靠近線圈后，對(duì)漏感的影響很小。通過幾百組變壓器的實(shí)測結(jié)果表明，有無磁芯存在，漏感變化值基本上不會(huì)超過10％，很多變化只有2％左右。
5）變壓器繞組電流密度的優(yōu)化值為2A/mm2～3.1A/mm2 很多電源設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)高頻磁性組件時(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關(guān)系。真正有關(guān)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(nèi)。
我們可以設(shè)想一下開關(guān)電源中散熱措施的兩種極限情況。當(dāng)散熱分別采用液浸和真空時(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)際研制中，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反復(fù)試算，而人為所加的限制，來簡化變量數(shù)，從而簡化計(jì)算過程，但這一簡化并未說明應(yīng)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) 很多電源設(shè)計(jì)者認(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。甚至在很多磁性組件的設(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(guān)系。必須再次強(qiáng)調(diào)的是，對(duì)于高頻磁性組件設(shè)計(jì)我們所關(guān)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(shè)計(jì)的一種經(jīng)驗(yàn)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很多層，即使繞線采用線徑比穿透深度細(xì)得多的漆包線，也可能會(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)來判斷損耗大小，要綜合考慮整個(gè)繞組結(jié)構(gòu)的安排，包括繞組繞制方式、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必須比開關(guān)頻率高得多 很多電源設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)和檢測變壓器時(shí)認(rèn)為變壓器的開路諧振頻率必須比變換器的開關(guān)頻率高得多。其實(shí)不然，變壓器的開路諧振頻率與開關(guān)頻率的大小并無關(guān)系。我們可以設(shè)想一下極限情況：對(duì)于理想磁芯，其電感量無窮大，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。 真正與電路有關(guān)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(yīng)當(dāng)在開關(guān)頻率的兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。
結(jié)語
為了使電源設(shè)計(jì)者在電源設(shè)計(jì)過程中，少犯同樣的錯(cuò)誤，就我們在開關(guān)電源的研發(fā)中遇到的一些與高頻磁性組件設(shè)計(jì)相關(guān)的概念性問題進(jìn)行了總結(jié)，希望能起到拋磚引玉的作用。
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