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高频开关电源变压器发热原因与对策

来源:美端电气   发布时间:2019-06-09 16:42

高频开关电源变压器发热原因与对策

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。钳形电阻测试仪在测量有回路的接地系统时,不需断开接地引下线,不需辅助电极,安全快速、使用简便。钳形接地电阻仪能测量出用传统方法无法测量的接地故障,能应用于传统方法无法测量的场合,因为钳形接地电阻仪测量的是接地体电阻和接地引线电阻的综合值。钳形接地电阻仪有长钳口及圆钳口之分。长钳口特别适宜于扁钢接地的场合。
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强制空气对流散热(风冷)。
9液(油)冷散热(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(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。返回
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