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模块电源中平面变压器的设计与应用

作者:赵凤俭 赵玉明 张丽洁时间:2017-07-27来源:电子产品世界
编者按:本文基于开关电源中变压器的工作原理和平面变压器自身特点,对模块型开关电源中的平面变压器的设计、加工、工艺和应用进行了全面研究。明确指出平面变压器在各种常见电路拓扑中的适用性问题,给出了平面变压器设计的参数计算过程,并进行了具体实例的参数计算。介绍了电路板绕组设计、平面变压器装配和电源整机工艺设计,给出了平面变压器和电源整机实际设计与应用案例,并对整机进行性能测试,验证了设计的可行性及合理性。

作者 赵凤俭1 赵玉明2 张丽洁3 1.睿查森电子贸易(中国)有限公司(北京 100020) 2.天地科技股份有限公司(北京 100013) 3.北京华清能源科技有限公司(北京 100080)

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201707/362277.htm

  赵凤俭(1979-),男,硕士,高级工程师,研究方向:电力电子设备及元器件应用的相关技术;赵玉明,男,硕士,副研究员,研究方向:特殊施工技术应用及监测监控技术开发;张丽洁,女,工程师,研究方向:新能源设备的电气设计。

摘要:本文基于开关电源中变压器的工作原理和自身特点,对模块型开关电源中的的设计、加工、工艺和应用进行了全面研究。明确指出在各种常见电路拓扑中的适用性问题,给出了平面变压器设计的参数计算过程,并进行了具体实例的参数计算。介绍了设计、平面变压器装配和设计,给出了平面变压器和电源整机实际设计与应用案例,并对整机进行性能测试,验证了设计的可行性及合理性。

引言

  模块型开关电源广泛应用于工业、航空航天、计算机硬件及电信等各个领域中,其核心部件之一为高频变压器。在实际的应用中,开关电源小型化、轻量化始终都是技术发展趋势,而高频变压器在开关电源小型化过程中起着关键作用[1~2]。随着磁性材料的改进和功率半导体器件工作频率的提高,使得高频变压器的重量和尺寸减小成为可能。

  平面型变压器在提高模块型开关电源的特性方面有着很大的优势,因此,近年来得到了广泛的应用。采用铁氧体和多层的平面型变压器,具有高度低、体积小、效率高、电磁干扰小、产品一致性好、适合自动化表面贴装等特点,尤其适用于空间或高度存在限制、对节能及散热要求苛刻的模块型电源产品,具有广阔的应用前景[3~4]

1 电路拓扑适用性

  正激及其衍生出的双管正激等电路拓扑的高频隔离变压器,在单路输出时,由于原副边都没有中间抽头,使得平面型变压器的设计和简单,且不需要开气隙,特别适用于大批量自动化生产。而对于桥类电路拓扑,如需要变压器引出中间抽头,则其变压器在设计和方面相对正激拓扑较为复杂。

2 变压器的参数计算

  开关电源中变压器的参数计算步骤如下:

  1)根据开关电源性能参数要求,选择合适的电路拓扑;

  2)体积选择计算;

  3)确定磁芯型号及其相关参数;

  4)确定变压器匝比;

  5)计算原边匝数;

  6)根据匝比和原边匝数,确定副边匝数;

  7)反推实际最大占空比;

  8)反推实际ΔB。

  以150W功率、输入直流电压200~400V、输出直流电压24V模块型开关电源进行设计举例。采用AP法[5-6],确定磁芯大小,考虑双管正激电路拓扑的自身特点和类似产品的设计调试经验,取开关频率fs=300kHz,对应开关周期T=3.3μs,并设置最大占空比δmax=0.41;采用宜宾金川RM2.3KD磁材[7],取磁感应强度变化量ΔB=1800GS。

  经过计算得到的实际ΔB值小于1800GS,最大占空比小于0.41,满足设计要求,且有一定余量。故可确定使用EI22磁芯[7],按照原副边匝数比19:6完成此款模块型开关电源的变压器设计。

3 电路板绕组设计

  基于EI22磁芯的外形尺寸和原副边的匝数开展电路板绕组的设计。平面型EI磁芯的长、宽、高依次为21.8mm、15.8mm、9.2mm,窗口高度为4.2mm。考虑到8层电路板的标准厚度为1.6mm,故采用两块8层电路板并联摆放的设计。每块8层电路板包含事先计算好的原副边匝数,当采用两块电路板并联时,等同为绕组并联,用以增加导体截面积,装配截面如图1所示。

  加工时断开拼版桥连部分,即可获得一个变压器的完整电路板绕组。整个设计中全部过孔设计采用贯穿孔,不设埋孔和盲孔。用于不同层绕组相互连接的贯穿孔副边绕组采用双孔设计,保证连接的可靠性,也加强了层间的同流能力。具体损耗计算可参见文献[8-9] 。

4 平面变压器

  变压器装配位置标注图如图2所示。其中原边绕组NP1匝数为19,绕组引出端为C和D,C为绕组起始端,D为结尾端;副边绕组NS1匝数为6,绕组引出端为G和H,G为绕组起始端,H为结尾端。

  变压器生产加工步骤如下:

  1)将电路板在桥连部位折断,变为成套的两块小电路板。用钳子剪掉板上残余的桥连部分;

  2)将带有板号标识的电路板向上放置,操作时要看得见板号标识;

  3)将另一块没有板号标识的电路板放在下面,此时两块电路板上的45度倒角要对齐;

  4)将拼好的成对电路板插入变压器合板工装,在A、B两处的板缝点适量的黏合胶,将两块电路板粘在一起,尽量减小两板之间的空隙;

  5)将固定后的电路板装入EI22磁芯,板号标识与I磁芯在同一侧,使用磁材粘合剂将E磁芯和I磁芯粘在一起,夹上夹子;

  6)在电路板的C、D焊盘上测量电感量要求大于2 mH (测试条件为100kHz,1V);

  7)烘烤,使磁材固定。要求在烘烤前后目测E磁芯与I磁芯是否对齐;

  8)冷却后再次测量电感量;

  9)在E磁芯上粘上双面胶;

  10)进行抗电强度测试,测试参数如表1。

  两块绕组电路板的倒角对齐,45°倒角为极性标识。加工完成的平面变压器实物如图3所示。

5

  电源整体采用上下两块电路板的方式,分为铝基板和印制板两部分,两块电路板需要分别进行生产焊接,再拼装为整机,最后进行上下电路板的信号连接。

  上层印制板为双面覆铜板,控制电路、反馈电路、保护电路等功耗小的元器件在印制板上。下层为铝基板,变压器、电感、开关管等大功率器件布放在铝基板上。印制板和铝基板之间的信号通路用针连接,铝基板四角铆装螺母用于安装散热器。

  变压器进行安装定位之后,利用E磁芯下表面的导热双面胶与铝基板粘合固定在一起,再在如图2所示的C、D过孔焊盘插入直径为1.0mm的连接针,G、H过孔焊盘插入直径为2.0mm的连接针,并在焊盘上放置适量锡膏,同其它元器件一起过回流焊。

  安装变压器时,要贴平、压紧,以减小热阻,保证能良好散热。铝基板进行回流焊时,应注意炉温和带速的控制,确保器件可靠焊接的同时,尽量避免焊接后在铝基板上锡珠和松香的过多出现。

6 设计与应用案例

  根据上述的设计方法和步骤,将采用EI22磁芯的平面变压器用于双管正激电路拓扑的模块型开关电源中,实现单机150W功率、输入直流电压200~400V、输出直流电压24V的产品设计。该产品的整体外形尺寸的长、宽、高依次为86mm、72mm、12.7mm。

  在输入直流电压为400V,额定输出工况时,持续工作两个小时后,整机中各个器件的温升到达稳定状态,产品的热成像如图4所示,测试环境温度在23.5℃情况下,整机中变压器温度最高为72.6℃;在输入直流电压为200V,额定输出工况时,持续工作两个小时后,整机中各个器件的温升到达稳定状态,产品热成像图如图5所示,测试环境温度在22.9℃情况下,整机中变压器温度最高为83.6℃。

7 结论

  本文详细阐述了模块型开关电源中的平面变压器的设计、加工、应用的全过程。基于平面变压器本身的加工工艺复杂度角度,明确指出了平面变压器在各种常见电路拓扑中的适用性问题,并在双管正激电路拓扑机车上开展了平面变压器设计的参数计算,并给出具体实例参数计算过程。通过介绍平面变压器的电路板绕组设计方法和具体设计过程,展示了多层电路绕阻的铺设细节和拼版设计技巧。阐述了平面变压器加工和设计,给出了变压器和电源整机的实际设计与应用案例,并对整机进行性能测试,验证了设计的可行性及合理性,为平面变压器的大批量自动化生产提供技术和应用参考。

  参考文献:

  [1]黄鑫,耿涛,陈月,等.印制板(PCB)平面变压器设计及应用进展[J].磁性材料及器件,2014,45(5):72-77

  [2] A.F.Goldberg,John G.ksssakian,Maitin F.schlecht.Issues related to 1-10MHz tansformer design[J].IEEE Transactions on Power lectronics, 1989,1: 113-123.

  [3]田佳甲,刘永好,张金玲,等.基于绝缘芯平面变压器的新型高压直流电源的调试及输出特性[J]核技术,2015,38(7):44-48.

  [4] A.F.Goldberg, John G.ksssakian,Maitin F.schlecht. Finite-element analysis of copper loss in 1-10MHz transformers[J].IEEE Transactions on Power Electron- -ics, 1989,4:157-167.

  [5]杨玉岗.现代电力电子的磁技术[M].北京:科学出版社,2003:155-159

  [6]张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社,2003:109-118

  [7]国营第八九九厂.软磁元件产品手册[M].

  [8]谭琳琳,王康平,宇文甸,等.基于GaN器件LLC谐振变换器的平面变压器优化设计[J].电源学报,2016,14(4):96-102

  [9]廖家文,张军明,张燚.钱照明LLC谐振变流器中平面变压器铜损优化设计[J].电工技术学报,2012,27(2):109-113

  本文来源于《电子产品世界》2017年第8期第58页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。



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