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高頻開關電源變壓器發熱原因與對策

来源:美端电气 发布时间:2019-06-09 16:42

高頻開關電源變壓器發熱原因與對策

国家标准《干式变压器》GB6450-1986对干式变压器的温升限值做出了规定。1、对干式变压器的线圈,当采用A级绝缘材料时,其极限工作温度在105℃时,最高温升应小于60℃;当采用E级绝缘材料时,其极限工作温度在120℃时,最高温升应小于75℃;当采用B级绝缘材料时,其极限工作温度在130℃时,最高温升应小于80℃;当采用F级绝缘材料时,其极限工作温度在155℃时,最高温升应小于100℃;当采用H级绝缘材料时,其极限工作温度在180℃时,最高温升应小于125℃;当采用C级绝缘材料时,其极限工作温度在220℃时,最高温升应小于150℃。降低(reduce)高频开关直流电源(power supply)变压器的发热,不仅可以简化散 热与风冷设计,降低散热成本,还可提高 整机的效率(efficiency)与工作可靠性,所以一直是人 们不断追求与探索的目标方向。

对减少高频(Induction Heating)变压(气压变量)器工作时的发热与温升,我们熟知的常用方法(method)措施有:
1选择(Select)合适的磁芯、骨架的形状类型,以EER35-42与EE40这两种造形结构的磁性材为例, 两者可用功率相近,但在相同输出功率使用(use)时,由于EER35-42无论线包还是铁氧体的热交换表 面积比EE40更大,所以工作时的温升明显要比EE40来得更低些。
2选用高性能低损耗的高频铁氧体磁芯材料,合理选取铁芯在对应工作频率Fs下的磁摆幅 ΔB。
3 合理选取绕组导线电流密度(单位:g/cm3或kg/m3)J,当然不仅仅是DC电流密度,更重要的是其AC电流密度。
4绕组线材类型的合理选取,如多股并联、里兹线、铜箔等,就比同等截面积的单根漆包 线有更低的高频交流阻抗。
5线圈绕制结构改进与分布参数的有效控制,有双线并行绕法(增强互感)、层间“Z”型绕 法(减小层间压差)、分段绕法(减少分布电容、降低AC阻抗)、P/S“三明治”交叉换位(减小 漏感)、P/S多槽交叉换位绕法等等。
6防止磁路气隙处漏磁通引起的损耗发热,可限制气隙间距,或采用特种气隙结构,使气 隙远离绕组线包等等。钳形接地電阻測試儀在測量有回路的接地系統時,不需斷開接地引下線,不需輔助電極,安全快速、使用簡便。鉗形接地電阻儀能測量出用傳統方法無法測量的接地故障,能應用于傳統方法無法測量的場合,因爲鉗形接地電阻儀測量的是接地體電阻和接地引線電阻的綜合值。鉗形接地電阻儀有長鉗口及圓鉗口之分。長鉗口特別適宜于扁鋼接地的場合。
7单个变压器(Transformer)分散成多个变压器组合。如EE55C(21mm厚)分开为两个EER49,同样输 出功率,同样散热条件,温升至少可以下降摄氏10度以上。
8強制空氣對流散熱(風冷)。
9液(油)冷散熱(radiating)。
以上第1条至第7条所讲的是一些为大家所熟知的, 也是行之有效的常用方法。而第8第9则是指散热方法。
当然,也见到过一些较为特别的散热构造方法,如 将绕组铜箔即做绕组导线用,引出至线包外又做散热片 用,将两者功能合二为一的设计方法;也有将低感量大 电流的滤波电感绕组导线做成类似散热器造形的“多表 面积”结构,同时即置于磁路中,又处于风道中,有利 与热交换,也大大改善了“集肤”效应,见图片…等等。
理論與實踐解析高頻變壓器發熱機理與對策
然而在设计实践中,往往会遇到已做足了上述的各个 环节的功夫,但变压器工作时的发热还是减不下来的情 形,此时说明还存在一些容易被忽视的、会导致变压器发 热的其它相关因素存在。
当遇到变压器设计已“没啥问题”而工作(job)温度却又降不 下来时,我们已有必要把目光从变压器转移到外围电路的 “器件特性”上来,其实来自外围器件引起的“与变压器互为 作用”而导致的工作温升过高,在变压器发热的因素中也 占有相当的比重,毕竟对整个电源(power supply)而言,原边开关管也 好,副边整流管也好,吸收补偿也好,谐振回路(电感或 电容)也好,甚至PFC及滤波电容,PCB布线等,与变压 器都同属一个整体,其工作状态必定会是相互关联又互相 影响的,只是影响作用的强弱而已。
其中对变压(气压变量)器工作温升影响最大的是副边整流(续流)二极管的反 向恢复特性,以常见大功率电源为例(也不难分析小功率反激副变整 流二极管的工作状况),无论是桥式拓扑副边的两个全波整流二极 管,或是正激拓扑的整流与续流二极管,在反向恢复期内都会产生瞬 时共态导通现象,从而在漏感上引起幅度递减的正弦(有时并非完全 是正弦)尖峰振荡,这个比开关频率高得多且有较高电压峰值的振荡 波会在原副边之间相互耦合,额外(extra)地使线包、磁芯的各种损耗增加, 尤其是与频率成指数比例关系的损耗,增加得更为明显。接地電阻測量儀是一种电阻测量装置,用于电力、邮电、铁路、通信、矿山等部门测量各种装置的接地电阻以及测量低电阻的导体电阻值;还可以测量土壤电阻率及地电压。因为在二极 管“共态导通”瞬间的 第一个尖峰波时段内,原边励磁电感量下降(descend)到 了接近于:“短路(电流(Electron flow)不经用电器、直接连电源两极)副边测得原边的漏感值”,如遇处理不当,则原边的 瞬时峰值电流将超过正常工作时的数倍至十数倍!这时磁芯的磁摆幅 △B 将增大,绕组导线的高频(Induction Heating)电流密度也急剧增加,在过后的衰减振 荡过程里,虽然损耗是递减的,但整个尖峰衰减振荡是随着工作频率 周而复始地产生的,所以就不难想象会使线温、铁温升高不少。当然 这种尖峰对电源的可靠性也会带来不利影响。
为了有效减低二极管反向恢复引起的尖峰振荡,采用原边 串一小电感量的电感,并用二极管进行箝位(图2、图4)来 到“零电流”开通是常见惯用的方法,桥式、正激都有应用(application),对 改善这种开关管导通时的反向恢复尖峰很有帮助,对降低(reduce)变压(气压变量) 器的工作温升也效果明显。但处理不当时,这一附加电感的无 功“吞吐”在箝位二极管上也会引起一种新的尖峰振荡,同时也 会与开关管结电容(或谐振电容)、变压器分布参数(parameter)发生新的“ 谐振”,使原边“附加”新的高频环流….无论在硬开关或移相谐振 软开关中都可能会遇到这个问题,因此选取最佳附加串联电感 的参数,就不是一件简单的事情了,有时往往许要通过实测来 修正。当然要有效降低开关管导通时的“尖峰振荡”,一般还会 采取在二极管上并RC吸收、引脚上套饱和磁珠、合理选取开关 管栅极电阻等组合措施。


曾用一个双管正激48KHz  3KW的实验电源做过对比 测试,采用同一个变压(气压变量)器,不同的尖峰吸收措施,起始温 度都相同,见其电压尖峰波形分别如图5、图6,在相同环 境无风冷条件下满载工作2分钟后再测变压器线包的温 升,结果图6波形要比图5波形低5~6度!如为长时间连续 工作状况,则两种波形时的温升差别之大就不难想象了。
需要特别提一下的是,用增加变压器漏感的方法来改 善“原边开关管导通时的尖峰振荡”在大多数情况下会是得 不偿失的,例如在正激拓扑中,因漏感储能最终将在“开 关管关断瞬间以反激方式释能”,此时对图1、图2中的副 边D3与原边DQ1、 DQ2、D1、D2而言(不难推断出桥式 图3图4的情况),又将出现关断尖峰振荡,漏感储能越 大,则关断尖峰越高,对降低变压器工作温升一样不利。
对二极管的关断尖峰振荡,一般可用原边加RC或 RCD缓冲加以吸收。在前述的48KHz  3KW实验电源中试 验增加恰当的RCD缓冲吸收电路,对改善开关管关断时出 现的“二极管尖峰振荡”具有较明显的作用效果。对有无 RCD缓冲吸收电路(图1图2中的R1、C1、DR1及R2、 C2、DR2)做无风冷满载工作2分钟后的实验测试表明, 绕组线包温升相差摄氏6~7度!(环境温度为25度时)。
需要说明的是,增加RCD后对变压器温升的改善也可 能不仅仅完全是对二极管关断尖峰振荡抑制所起的作用, 可能(maybe)还有一些其它未曾搞清的因素存在。另外,在电路中 增加RCD缓冲属“有损”尖峰吸收方法,因此也有人把它的 作用看做是一种能量转移消耗,只是把变压器与开关管的 发热转移到了R上,其实这种说法是片面的,不能完全这 样认为,这种限制du/dt 的吸收电路如做得“恰到好处”则 会带来整体性(降低开关管、整流管的温升,提高可靠 性,改善EMI等等)的改善,其利远大于弊,题外话了。
介绍一个80KHz  500W双管正激电源的设计实例,采 取的措施有:P/S原副多重交叉换位串并绕制方法,使变压器(Transformer) 漏感减小到0.2%以下,适中的磁芯磁摆幅△B,用调整气隙方 法修正了的变压器原边谐振频率Fr,副边采用肖特基整流,同 时将肖特基的工作电流降低至标称额定值的1/10,以进一步改 善其恢复特性,整流与续流晶体二极管并RC尖峰吸收,输出滤波 电感采用纯线性电感,并优化了PCB布线,以及MOS管栅极 驱动参数,这时满载工作的变压器电压波形的振铃几乎接近消 失!整流二极管与续流二极管节点对地电压波接近标准方波, 毛刺较低见图9、图10,为满载实测波形。接地電阻測試儀原理是新一代变压器直流电阻的测试仪器,它能根据不同型号的电力变压器自动选择测试电流,以最快的速度显示测试结果。直流電阻測試儀并且具有存储、打印、放电指示等功能,内置不掉电存储器,可长期保存测量数据,液晶显示器的采用使得该仪器人机界面良好,是直流电阻测试工作中的首选设备。由于整机效率(efficiency)相对 较高,所以工作时的变压器温升非常之低!
作为一个探讨性的话题,在外围器件导致变压器发热 的机理中,对于二极管的反向恢复特性(characteristic])引起的这种发热机 理而言较为“直接”而容易理解,也较易找到解决方法。
而实践告诉我们:引起变压器额外发热的因素还有 很多,如变压器谐振频率Fr的高低…各种分布参数的影 响…绕组结构差别…漏感大小等等…尤其是在全桥谐振拓 扑中,有时气隙的微微变化,就会引起开关管及变压器的 温升变化…这些导致发热的机理有时就不是那么容易“直 接”地理解了,有时实测波形的差别极小,而实测的工作 温度差别却不小。