開(kāi)關(guān)電源高頻磁性元件設計中8種常見(jiàn)的錯誤概念
1、引言
開(kāi)關(guān)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(shí)現非常關(guān)鍵。加之高頻磁性元件設計包括很多細節知識點(diǎn)，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(yōu)化設計高頻磁性元件，必須根據應用場(chǎng)合，綜合考慮多個(gè)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(lǐng)域的設計人員頭疼的難題，乃至是困擾有多年工作經(jīng)驗的電源工程師的問(wèn)題。
很多文獻及相關(guān)技術(shù)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(jiǎn)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(méi)有意識到這一點(diǎn)，直接套用設計手冊中的公式，或把設計手冊中某些話(huà)斷章取義，尊為“設計綱領(lǐng)”，而沒(méi)有進(jìn)行透徹的分析和思考，以及實(shí)驗的驗證。其結果往往是設計出來(lái)的高頻磁性元件不能滿(mǎn)足應用場(chǎng)合的要求，影響了研發(fā)的進(jìn)度和項目的按期完成。
為了使電源設計者在設計過(guò)程中，避免犯同樣的錯誤，為此，我們針對在學(xué)習和研發(fā)中遇到的一些概念性的問(wèn)題進(jìn)行了總結，希望能給大家提供一個(gè)借鑒。
2、一些錯誤概念的辨析
這里以小標題形式給出開(kāi)關(guān)電源高頻磁性元件設計中8種常見(jiàn)的錯誤概念，并加以詳細的辨析。
1)、填滿(mǎn)磁芯窗口——優(yōu)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(mǎn)磁芯窗口可以獲得最優(yōu)設計，其實(shí)不然。在多例高頻變壓器和電感的設計中，我們可以發(fā)現多增加一層或幾層繞組，或采用更大線(xiàn)徑的漆包線(xiàn)，不但不能獲得優(yōu)化的效果，反而會(huì )因為繞線(xiàn)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(xiàn)沒(méi)把鐵芯窗口繞滿(mǎn)，只繞滿(mǎn)了窗口面積的25％，也沒(méi)有關(guān)系。不必非得想法設法填滿(mǎn)整個(gè)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(mǎn)整個(gè)窗口，從而保證其機械穩定性。但高頻磁性元件設計并沒(méi)有這個(gè)要求。
2)、“鐵損=銅損”——優(yōu)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(shū)中都把“鐵損=銅損”列為高頻變壓器優(yōu)化設計的標準之一，其實(shí)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(shí)兩者差別甚至可以達到一個(gè)數量級之大，但這并不代表該高頻變壓器設計不好。
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(fā)，得出“鐵損=銅損”這一經(jīng)驗設計規則。但對于高頻變壓器，采用非常細的漆包線(xiàn)作為繞組，這一經(jīng)驗法則并不成立。在開(kāi)關(guān)電源高頻變壓器設計中，確定優(yōu)化設計有很多因素，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
很多電源設計者在設計好磁性元件后，把相關(guān)的技術(shù)要求提交給變壓器制作廠(chǎng)家時(shí)，往往要對漏感大小要求進(jìn)行說(shuō)明。在很多技術(shù)單上，標注著(zhù)“漏感=1％的磁化電感”或“漏感<2％的磁化電感”等類(lèi)似的技術(shù)要求。其實(shí)這種寫(xiě)法或設計標準很不專(zhuān)業(yè)。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(gè)數值限制。在制作變壓器的過(guò)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(guān)系作為技術(shù)要求。因為漏感與磁化電感的關(guān)系隨變壓器有無(wú)氣隙變化很大。無(wú)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)系卻可能達到10％。
因此，不要把漏感與磁化電感的比例關(guān)系作為變壓器設計指標提供給磁性元件生產(chǎn)商。否則，這將表明你不理解漏感知識或并不真正關(guān)心實(shí)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(gè)比例的典型值為20％。
4)、漏感與磁芯磁導率有關(guān)系
有些電源設計者認為，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；也有些電源設計者認為，繞組加上磁芯后，磁芯會(huì )與繞組間的場(chǎng)相互耦合，可增加漏感量。
而事實(shí)是，在開(kāi)關(guān)電源設計中，兩個(gè)同軸繞組變壓器的漏感與有無(wú)磁芯存在并無(wú)關(guān)系。這一結果可能令人無(wú)法理解，這是因為，一種相對磁導率為幾千的材料靠近線(xiàn)圈后，對漏感的影響很小。通過(guò)幾百組變壓器的實(shí)測結果表明，有無(wú)磁芯存在，漏感變化值基本上不會(huì )超過(guò)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
很多電源設計者在設計高頻磁性元件時(shí)，往往把繞組中的電流密度大小視為優(yōu)化設計的標準。其實(shí)優(yōu)化設計與繞組電流密度大小并沒(méi)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。容－源－電－子－網(wǎng)－為你提供技術(shù)支持
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