開關(guān)電源|中高頻磁性組件設(shè)計|常見錯誤概念辨析

引言

開關(guān)電源中高頻磁性組件的設(shè)計對于電路的正常工作和各項性能指針的實現(xiàn)非常關(guān)鍵。加之高頻磁性組件設(shè)計包括很多細節(jié)知識點，而這些細節(jié)內(nèi)容很難被一本或幾本所謂的“設(shè)計大全”一一羅列清楚[1－3]。為了優(yōu)化設(shè)計高頻磁性組件，必須根據(jù)應用場合，綜合考慮多個設(shè)計變量，反復計算調(diào)整。正由于此，高頻磁性組件設(shè)計一直是令初涉電源領(lǐng)域的設(shè)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題。

很多文獻及相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)給出的磁性組件設(shè)計方法或公式往往直接忽略了某些設(shè)計變量的影響，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(shè)計者并沒有意識到這一點，直接套用設(shè)計手冊中的公式，或把設(shè)計手冊中某些話斷章取義，尊為“設(shè)計綱領(lǐng)”，而沒有進行透徹的分析和思考，以及實驗的驗證。其結(jié)果往往是設(shè)計出來的高頻磁性組件不能滿足應用場合的要求，影響了研發(fā)的進度和項目的按期完成。 為了使電源設(shè)計者在設(shè)計過程中，避免犯同樣的錯誤，為此，我們針對在學習和研發(fā)中遇到的一些概念性的問題進行了總結(jié)，希望能給大家提供一個借鑒。

一些錯誤概念的辨析 這里以小標題形式給出開關(guān)電源高頻磁性組件設(shè)計中8種常見的錯誤概念，并加以詳細的辨析。

1）填滿磁芯窗口——優(yōu)化的設(shè)計 很多電源設(shè)計人員認為在高頻磁性組件設(shè)計中，填滿磁芯窗口可以獲得最優(yōu)設(shè)計，其實不然。在多例高頻變壓器和電感的設(shè)計中，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，反而會因為繞線中的鄰近效應而增大繞組總損耗。因此在高頻磁性組件設(shè)計中，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)法填滿整個窗口面積。

這種錯誤概念主要是受工頻磁性組件設(shè)計的影響。在工頻變壓器設(shè)計中，強調(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)計成繞組填滿整個窗口，從而保證其機械穩(wěn)定性。但高頻磁性組件設(shè)計并沒有這個要求。

2）“鐵損=銅損”——優(yōu)化的變壓器設(shè)計 很多電源設(shè)計者，甚至在很多磁性組件設(shè)計參考書中都把“鐵損=銅損”列為高頻變壓器優(yōu)化設(shè)計的標準之一，其實不然。在高頻變壓器的設(shè)計中，鐵損和銅損可以相差較大，有時兩者差別甚至可以達到一個數(shù)量級之大，但這并不代表該高頻變壓器設(shè)計不好[4]。 這種錯誤概念也是受工頻變壓器設(shè)計的影響。

工頻變壓器往往因為繞組匝數(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)驗設(shè)計規(guī)則。但對于高頻變壓器，采用非常細的漆包線作為繞組，這一經(jīng)驗法則并不成立。在開關(guān)電源高頻變壓器設(shè)計中，確定優(yōu)化設(shè)計有很多因素，而“鐵損=銅損”其實是最少受關(guān)注的一個方面。

3）漏感=1％的磁化電感 很多電源設(shè)計者在設(shè)計好磁性組件后，把相關(guān)的技術(shù)要求提交給變壓器制作廠家時，往往要對漏感大小要求進行說明。在很多技術(shù)單上，標注著“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。其實這種寫法或設(shè)計標準很不專業(yè)。

電源設(shè)計者應當根據(jù)電路正常工作要求,對所能接受的漏感值作一個數(shù)值限制。在制作變壓器的過程中，應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。因為漏感與磁化電感的關(guān)系隨變壓器有無氣隙變化很大。無氣隙時，漏感可能小于磁化電感的0.1％,而在有氣隙時，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％[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或并不真正關(guān)心實際的漏感值。正確的做法是規(guī)定清楚可以接受的漏感絕對數(shù)值，當然可以加上或減去一定的比例，這個比例的典型值為20％。

4）漏感與磁芯磁導率有關(guān)系 有些電源設(shè)計者認為，給繞組加上磁芯，會使繞組耦合更緊密，可降低繞組間的漏感；也有些電源設(shè)計者認為，繞組加上磁芯后，磁芯會與繞組間的場相互耦合，可增加漏感量。

而事實是，在開關(guān)電源設(shè)計中，兩個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，這是因為，一種相對磁導率為幾千的材料靠近線圈后，對漏感的影響很小。通過幾百組變壓器的實測結(jié)果表明，有無磁芯存在，漏感變化值基本上不會超過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)計者在設(shè)計高頻磁性組件時，往往把繞組中的電流密度大小視為優(yōu)化設(shè)計的標準。其實優(yōu)化設(shè)計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。當散熱分別采用液浸和真空時，繞線中相應的電流密度會相差較大。 在開關(guān)電源的實際研制中，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？ 這種錯誤概念，是設(shè)計人員為了避免繁瑣的反復試算，而人為所加的限制，來簡化變量數(shù)，從而簡化計算過程，但這一簡化并未說明應用條件。

6）原邊繞組損耗=副邊繞組損耗”——優(yōu)化的變壓器設(shè)計 很多電源設(shè)計者認為優(yōu)化的變壓器設(shè)計對應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)計書中也把此作為一個優(yōu)化設(shè)計的標準。其實這并非什么優(yōu)化設(shè)計的標準。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。必須再次強調(diào)的是，對于高頻磁性組件設(shè)計我們所關(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)計的一種經(jīng)驗規(guī)則。

7）繞組直徑小于穿透深度——高頻損耗就會很小 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得多的漆包線，也可能會因為有很強的鄰近效應而產(chǎn)生很大的高頻損耗。因此在考慮繞組損耗時，不能僅僅從漆包線的粗細來判斷損耗大小，要綜合考慮整個繞組結(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)計人員在設(shè)計和檢測變壓器時認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：對于理想磁芯，其電感量無窮大，但也會有一個相對很小的匝間電容，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當在開關(guān)頻率的兩個數(shù)量級以上。

結(jié)語

為了使電源設(shè)計者在電源設(shè)計過程中，少犯同樣的錯誤，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)計相關(guān)的概念性問題進行了總結(jié)，希望能起到拋磚引玉的作用。