0.最大的问题 - 散热
对变压器这类功率器件,最大的问题是散热的效率。因为传统的电路基板热导率并不高,几乎和良性导热材料有近乎两个数量级的导热差异,所以,会采用特殊的导热技术,把热量尽可能快地传导到散热片。
传统的做法是使用单面铝基板,让变压器的表面与散热板完全贴合。这里有一则嘉立创新引入的工艺:
双面散热电路板
1.计算变压器额定功率处的铜损增益曲线斜率
额定功率处的铜损频响状况,其实就是看在额定功率处电流的增量与铜损的比例。这个计算很容易处理:
- 从额定功率和额定电压可以得到负载等效直流电阻。Rout
- 额定功率处,变压器次级线圈此时的分压值不会超过阻抗分压值的(1-η),否则再加上铁损,整体损耗就不能符合要求。即次级线圈的交流电阻Rac_of_sec <= (1-η)*Rout,甚至更低。
- 然后对于次级线圈的铜损Pcu-Iout曲线,在额定功率处的铜损相对次级线圈电流的变化率,就会转变为对Pcu=Iout^2*Rac_of_sec求导。
- 此时斜率 k = 2Rac_of_secI_out。
- 所以铜损在额定功率处的斜率 k<=2*(1-η)RoutI_out [ eq1.1]
- 因为I_out=Uout/Rout
- 所以,如果以系统整体损耗的视角,k<=2*(1-η)*Uout
- 铜损的具体数值,一般在工作频点不随频率变化。因为次级线圈的工作频率处的交流阻抗和直流阻抗不会相差太多。所以铜损在额定功率处随电流的变化率是基本确定的。
2.估算铁损随频率的变化
对于非调频变压器,铁损的具体值,其实基本上等于空载损耗。它更容易控制和测量。因为输出电压近乎恒定,意味着磁通量的变化量近乎恒定。工作频率又不变。所以铁损完全没有变化。
对于开关电源,频率变化,铁损会有变化,但是因为输出电压恒定,磁通变化量的总体水平近乎不变,铁损在小负载更大,在大负载会更小。
铁损在特定频点处的增益,与铁心的材料性质有关。在另一篇文中提及过。一般会由特定的铁磁材料相关的公司给出。但是相关的铁损原始图表一般是双对数曲线的形式,如果需要判断在特定位置的铁损随频率变化的斜率,需要转至欧氏空间:
看右图,铁损在200mT处,铁损随频率的增加近乎线性。200kHz处的功率大概是100kHz的3倍,所以:
100kHz处PQ35-35变压器,采用PC95铁损随频率变化的斜率:
k
=
12
W
∗
(
x
−
100
)
/
100
+
6
W
(
x
单位
k
H
z
)
。
k = 12W*(x-100)/100 + 6W ( x单位kHz)。
k=12W∗(x−100)/100+6W(x单位kHz)。
相当于:
频率每提升1%,铁损增加0.12W;
或者,对PC95材质铁氧体材料,从100kHz处,频率每增加1%,铁损增加基准值的2%,
2.1 铁损经验公式1:
P
i
r
o
n
=
K
h
f
B
2
+
K
e
f
2
B
2
P_{iron} = K_h f B^2 + K_e f^2 B^2
Piron=KhfB2+Kef2B2
这里,
K
h
是磁滞损耗系数,
K
e
是涡流损耗系数,
f
是工作频率,
B
是磁通密度
\text这里,K_h \text是磁滞损耗系数,K_e \text是涡流损耗系数,f \text 是工作频率,B \text 是磁通密度
这里,Kh是磁滞损耗系数,Ke是涡流损耗系数,f是工作频率,B是磁通密度
对freq求导后,铁损在额定功率处的斜率公式:
K
P
i
r
o
n
/
f
=
B
2
∗
K
h
+
K
f
∗
f
∗
B
2
K_{P_{iron}/f} = B^2*K_{h} + K_{f}*f*B^2
KPiron/f=B2∗Kh+Kf∗f∗B2
2.1 铁损经验公式2:
在变压器与电感器设计手册中有一个更简单的经验公式:
P
i
r
o
n
=
3.8
e
−
4
∗
f
1.51
∗
B
a
c
2.747
P_{iron} = 3.8e-4*f^{1.51}*B_{ac}^{2.747}
Piron=3.8e−4∗f1.51∗Bac2.747
验证一下,在f=100kHz时,结果是错的。。。
额外发现了这里:
PSMA
一篇关于铁损近似计算的论文
TDK的PC95的铁损参数还没有人上传?
上面是论文:开关电源用MnZn铁氧体磁损耗研究,hust,2001的结论。但是对于估算,还是不足。