高頻開關(guān)電源變壓器發(fā)熱原因與對(duì)策
2017-5-11 17:22:54??????點(diǎn)擊：
國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《干式變壓器》GB6450-1986對(duì)干式變壓器的溫升限值做出了規(guī)定。1、對(duì)干式變壓器的線圈，當(dāng)采用A級(jí)絕緣材料時(shí)，其極限工作溫度在105℃時(shí)，最高溫升應(yīng)小于60℃；當(dāng)采用E級(jí)絕緣材料時(shí)，其極限工作溫度在120℃時(shí)，最高溫升應(yīng)小于75℃；當(dāng)采用B級(jí)絕緣材料時(shí)，其極限工作溫度在130℃時(shí)，最高溫升應(yīng)小于80℃；當(dāng)采用F級(jí)絕緣材料時(shí)，其極限工作溫度在155℃時(shí)，最高溫升應(yīng)小于100℃；當(dāng)采用H級(jí)絕緣材料時(shí)，其極限工作溫度在180℃時(shí)，最高溫升應(yīng)小于125℃；當(dāng)采用C級(jí)絕緣材料時(shí)，其極限工作溫度在220℃時(shí)，最高溫升應(yīng)小于150℃。降低高頻開關(guān)直流電源變壓器的發(fā)熱，不僅可以簡(jiǎn)化散 熱與風(fēng)冷設(shè)計(jì)，降低散熱成本，還可提高 整機(jī)的效率與工作可靠性，所以一直是人 們不斷追求與探索的目標(biāo)方向。
對(duì)減少高頻變壓器工作時(shí)的發(fā)熱與溫升，我們熟知的常用方法措施有：
1選擇合適的磁芯、骨架的形狀類型，以EER35-42與EE40這兩種造形結(jié)構(gòu)的磁性材為例， 兩者可用功率相近，但在相同輸出功率使用時(shí)，由于EER35-42無(wú)論線包還是鐵氧體的熱交換表 面積比EE40更大，所以工作時(shí)的溫升明顯要比EE40來(lái)得更低些。
2選用高性能低損耗的高頻鐵氧體磁芯材料，合理選取鐵芯在對(duì)應(yīng)工作頻率Fs下的磁擺幅 ΔB。
3 合理選取繞組導(dǎo)線電流密度J，當(dāng)然不僅僅是DC電流密度，更重要的是其AC電流密度。
4繞組線材類型的合理選取，如多股并聯(lián)、里茲線、銅箔等，就比同等截面積的單根漆包 線有更低的高頻交流阻抗。
5線圈繞制結(jié)構(gòu)改進(jìn)與分布參數(shù)的有效控制，有雙線并行繞法（增強(qiáng)互感）、層間“Z”型繞 法（減小層間壓差）、分段繞法（減少分布電容、降低AC阻抗）、P/S“三明治”交叉換位（減小 漏感）、P/S多槽交叉換位繞法等等。
6防止磁路氣隙處漏磁通引起的損耗發(fā)熱，可限制氣隙間距，或采用特種氣隙結(jié)構(gòu)，使氣 隙遠(yuǎn)離繞組線包等等。
7單個(gè)變壓器分散成多個(gè)變壓器組合。如EE55C（21mm厚）分開為兩個(gè)EER49，同樣輸 出功率，同樣散熱條件，溫升至少可以下降攝氏10度以上。
8強(qiáng)制空氣對(duì)流散熱（風(fēng)冷）。
9液（油）冷散熱。
以上第1條至第7條所講的是一些為大家所熟知的， 也是行之有效的常用方法。而第8第9則是指散熱方法。
當(dāng)然，也見到過(guò)一些較為特別的散熱構(gòu)造方法，如 將繞組銅箔即做繞組導(dǎo)線用，引出至線包外又做散熱片 用，將兩者功能合二為一的設(shè)計(jì)方法；也有將低感量大 電流的濾波電感繞組導(dǎo)線做成類似散熱器造形的“多表 面積”結(jié)構(gòu)，同時(shí)即置于磁路中，又處于風(fēng)道中，有利 與熱交換，也大大改善了“集膚”效應(yīng)，見圖片…等等。
理論與實(shí)踐解析高頻變壓器發(fā)熱機(jī)理與對(duì)策
然而在設(shè)計(jì)實(shí)踐中，往往會(huì)遇到已做足了上述的各個(gè) 環(huán)節(jié)的功夫，但變壓器工作時(shí)的發(fā)熱還是減不下來(lái)的情 形，此時(shí)說(shuō)明還存在一些容易被忽視的、會(huì)導(dǎo)致變壓器發(fā) 熱的其它相關(guān)因素存在。
當(dāng)遇到變壓器設(shè)計(jì)已“沒(méi)啥問(wèn)題”而工作溫度卻又降不 下來(lái)時(shí)，我們已有必要把目光從變壓器轉(zhuǎn)移到外圍電路的 “器件特性”上來(lái)，其實(shí)來(lái)自外圍器件引起的“與變壓器互為 作用”而導(dǎo)致的工作溫升過(guò)高，在變壓器發(fā)熱的因素中也 占有相當(dāng)?shù)谋戎?，畢竟?duì)整個(gè)電源而言，原邊開關(guān)管也 好，副邊整流管也好，吸收補(bǔ)償也好，諧振回路（電感或 電容）也好，甚至PFC及濾波電容，PCB布線等，與變壓 器都同屬一個(gè)整體，其工作狀態(tài)必定會(huì)是相互關(guān)聯(lián)又互相 影響的，只是影響作用的強(qiáng)弱而已。
其中對(duì)變壓器工作溫升影響最大的是副邊整流(續(xù)流)二極管的反 向恢復(fù)特性，以常見大功率電源為例（也不難分析小功率反激副變整 流二極管的工作狀況），無(wú)論是橋式拓?fù)涓边叺膬蓚€(gè)全波整流二極 管，或是正激拓?fù)涞恼髋c續(xù)流二極管，在反向恢復(fù)期內(nèi)都會(huì)產(chǎn)生瞬 時(shí)共態(tài)導(dǎo)通現(xiàn)象，從而在漏感上引起幅度遞減的正弦（有時(shí)并非完全 是正弦）尖峰振蕩，這個(gè)比開關(guān)頻率高得多且有較高電壓峰值的振蕩 波會(huì)在原副邊之間相互耦合，額外地使線包、磁芯的各種損耗增加， 尤其是與頻率成指數(shù)比例關(guān)系的損耗，增加得更為明顯。因?yàn)樵诙O 管“共態(tài)導(dǎo)通”瞬間的 第一個(gè)尖峰波時(shí)段內(nèi)，原邊勵(lì)磁電感量下降到 了接近于：“短路副邊測(cè)得原邊的漏感值”，如遇處理不當(dāng)，則原邊的 瞬時(shí)峰值電流將超過(guò)正常工作時(shí)的數(shù)倍至十?dāng)?shù)倍！這時(shí)磁芯的磁擺幅 △B 將增大，繞組導(dǎo)線的高頻電流密度也急劇增加，在過(guò)后的衰減振 蕩過(guò)程里，雖然損耗是遞減的，但整個(gè)尖峰衰減振蕩是隨著工作頻率 周而復(fù)始地產(chǎn)生的，所以就不難想象會(huì)使線溫、鐵溫升高不少。當(dāng)然 這種尖峰對(duì)電源的可靠性也會(huì)帶來(lái)不利影響。
為了有效減低二極管反向恢復(fù)引起的尖峰振蕩，采用原邊 串一小電感量的電感，并用二極管進(jìn)行箝位（圖2、圖4）來(lái)達(dá) 到“零電流”開通是常見慣用的方法，橋式、正激都有應(yīng)用，對(duì) 改善這種開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)的反向恢復(fù)尖峰很有幫助，對(duì)降低變壓 器的工作溫升也效果明顯。但處理不當(dāng)時(shí)，這一附加電感的無(wú) 功“吞吐”在箝位二極管上也會(huì)引起一種新的尖峰振蕩，同時(shí)也 會(huì)與開關(guān)管結(jié)電容（或諧振電容）、變壓器分布參數(shù)發(fā)生新的“ 諧振”，使原邊“附加”新的高頻環(huán)流….無(wú)論在硬開關(guān)或移相諧振 軟開關(guān)中都可能會(huì)遇到這個(gè)問(wèn)題，因此選取最佳附加串聯(lián)電感 的參數(shù)，就不是一件簡(jiǎn)單的事情了，有時(shí)往往許要通過(guò)實(shí)測(cè)來(lái) 修正。當(dāng)然要有效降低開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)的“尖峰振蕩”，一般還會(huì) 采取在二極管上并RC吸收、引腳上套飽和磁珠、合理選取開關(guān) 管柵極電阻等組合措施。
曾用一個(gè)雙管正激48KHz 3KW的實(shí)驗(yàn)電源做過(guò)對(duì)比 測(cè)試，采用同一個(gè)變壓器，不同的尖峰吸收措施，起始溫 度都相同，見其電壓尖峰波形分別如圖5、圖6，在相同環(huán) 境無(wú)風(fēng)冷條件下滿載工作2分鐘后再測(cè)變壓器線包的溫 升，結(jié)果圖6波形要比圖5波形低5~6度！如為長(zhǎng)時(shí)間連續(xù) 工作狀況，則兩種波形時(shí)的溫升差別之大就不難想象了。
需要特別提一下的是，用增加變壓器漏感的方法來(lái)改 善“原邊開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)的尖峰振蕩”在大多數(shù)情況下會(huì)是得 不償失的，例如在正激拓?fù)渲?，因漏感?chǔ)能最終將在“開 關(guān)管關(guān)斷瞬間以反激方式釋能”，此時(shí)對(duì)圖1、圖2中的副 邊D3與原邊DQ1、 DQ2、D1、D2而言（不難推斷出橋式 圖3圖4的情況），又將出現(xiàn)關(guān)斷尖峰振蕩，漏感儲(chǔ)能越 大，則關(guān)斷尖峰越高，對(duì)降低變壓器工作溫升一樣不利。
對(duì)二極管的關(guān)斷尖峰振蕩，一般可用原邊加RC或 RCD緩沖加以吸收。在前述的48KHz 3KW實(shí)驗(yàn)電源中試 驗(yàn)增加恰當(dāng)?shù)腞CD緩沖吸收電路，對(duì)改善開關(guān)管關(guān)斷時(shí)出 現(xiàn)的“二極管尖峰振蕩”具有較明顯的作用效果。對(duì)有無(wú) RCD緩沖吸收電路（圖1圖2中的R1、C1、DR1及R2、 C2、DR2）做無(wú)風(fēng)冷滿載工作2分鐘后的實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明， 繞組線包溫升相差達(dá)攝氏6~7度?。ōh(huán)境溫度為25度時(shí)）。
需要說(shuō)明的是，增加RCD后對(duì)變壓器溫升的改善也可 能不僅僅完全是對(duì)二極管關(guān)斷尖峰振蕩抑制所起的作用， 可能還有一些其它未曾搞清的因素存在。另外，在電路中 增加RCD緩沖屬“有損”尖峰吸收方法，因此也有人把它的 作用看做是一種能量轉(zhuǎn)移消耗，只是把變壓器與開關(guān)管的 發(fā)熱轉(zhuǎn)移到了R上，其實(shí)這種說(shuō)法是片面的，不能完全這 樣認(rèn)為，這種限制du/dt 的吸收電路如做得“恰到好處”則 會(huì)帶來(lái)整體性（降低開關(guān)管、整流管的溫升，提高可靠 性，改善EMI等等）的改善，其利遠(yuǎn)大于弊，題外話了。
介紹一個(gè)80KHz 500W雙管正激電源的設(shè)計(jì)實(shí)例，采 取的措施有：P/S原副多重交叉換位串并繞制方法，使變壓器 漏感減小到0.2%以下，適中的磁芯磁擺幅△B，用調(diào)整氣隙方 法修正了的變壓器原邊諧振頻率Fr，副邊采用肖特基整流，同 時(shí)將肖特基的工作電流降低至標(biāo)稱額定值的1/10，以進(jìn)一步改 善其恢復(fù)特性，整流與續(xù)流二極管并RC尖峰吸收，輸出濾波 電感采用純線性電感，并優(yōu)化了PCB布線，以及MOS管柵極 驅(qū)動(dòng)參數(shù)，這時(shí)滿載工作的變壓器電壓波形的振鈴幾乎接近消 失！整流二極管與續(xù)流二極管節(jié)點(diǎn)對(duì)地電壓波接近標(biāo)準(zhǔn)方波， 毛刺較低見圖9、圖10，為滿載實(shí)測(cè)波形。由于整機(jī)效率相對(duì) 較高，所以工作時(shí)的變壓器溫升非常之低！
作為一個(gè)探討性的話題，在外圍器件導(dǎo)致變壓器發(fā)熱 的機(jī)理中，對(duì)于二極管的反向恢復(fù)特性引起的這種發(fā)熱機(jī) 理而言較為“直接”而容易理解，也較易找到解決方法。
而實(shí)踐告訴我們：引起變壓器額外發(fā)熱的因素還有 很多，如變壓器諧振頻率Fr的高低…各種分布參數(shù)的影 響…繞組結(jié)構(gòu)差別…漏感大小等等…尤其是在全橋諧振拓 撲中，有時(shí)氣隙的微微變化，就會(huì)引起開關(guān)管及變壓器的 溫升變化…這些導(dǎo)致發(fā)熱的機(jī)理有時(shí)就不是那么容易“直 接”地理解了，有時(shí)實(shí)測(cè)波形的差別極小，而實(shí)測(cè)的工作 溫度差別卻不小。
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