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    业界资讯

    高频变压器发热机理与对策!

    前言

    降低变压器的发热,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。

    变压器温度过高常见的9个对策

    对减少高频变压器工作时的发热与温升,我们熟知的常用方法措施有:

    1选择合适的磁芯、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。

    7单个变压器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强制空气对流散热(风冷)。

    9液(油)冷散热。

    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。

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    理论与实践解析高频变压器发热机理与对策

    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。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到 了接近于:“短路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)来达 到“零电流”开通是常见惯用的方法,桥式、正激都有应用,对 改善这种开关管导通时的反向恢复尖峰很有帮助,对降低变压 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。

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    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, 绕组线包温升相差达摄氏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 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。由于整机效率相对 较高,所以工作时的变压器温升非常之低!
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    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。

    小结

    对变压器各种性能的优化提高,是一 个永恒的话题,由于篇幅与时间所限制, 在发热机理上还有很多未提及的议题内容 就挪到日后慢慢讨论了。

    当然,也很希望今天的话题能对大家 的实际工作有所帮助,有所启迪。同时限 于水平,以上的观点论述错误在所难免, 欢迎大家批评指正,谢谢大家!

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