多年來,我觀察到在設(shè)計(jì)磁性元件時(shí)有兩類人。首先,你有那些知道如何構(gòu)建零件的人。他們通常是經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師或技術(shù)人員,他們知道有簡(jiǎn)單直接的設(shè)計(jì)方法可以確保成功。其次,工程界的其他人都被磁力嚇壞了。似乎有無窮無盡的棘手方程式,掩蓋了“如何開始設(shè)計(jì)”的優(yōu)雅簡(jiǎn)單。
構(gòu)建和迭代部件是無可替代的,它是真正獲得知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的唯一途徑。我們已經(jīng)看到這應(yīng)用于電感器設(shè)計(jì),現(xiàn)在我們將注意力轉(zhuǎn)向第二個(gè)磁性元件——變壓器。
兩種磁路元件
電路理論中只有兩種類型的磁體——簡(jiǎn)單的電感器和理想的變壓器。如果鐵芯上有一個(gè)繞組,則有一個(gè)電感器。如果您有兩個(gè)或多個(gè)繞組,或者甚至只是一個(gè)繞組上的一個(gè)抽頭,那么您就有了一個(gè)變壓器。它不會(huì)是一個(gè)理想的變壓器,這只能在模擬中實(shí)現(xiàn),但我們?nèi)匀环Q它為變壓器。
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圖 1:兩種類型的磁性元件
正如我們將看到的,當(dāng)您嘗試構(gòu)建理想變壓器時(shí),必須添加額外的電感組件才能充分解釋其操作。這就是使磁性元件如此有趣的原因——對(duì)這些額外組件的適當(dāng)控制使專家與新手區(qū)分開來。詳細(xì)的構(gòu)造技術(shù)導(dǎo)致非常先進(jìn)的設(shè)計(jì),而無需無窮無盡的方程式。但讓我們從頭開始。正如我們?cè)谥暗奈恼轮辛私獾降模蠖鄶?shù)關(guān)于磁性的出版物都使設(shè)計(jì)過程顯得過于復(fù)雜。對(duì)于電感器,我們展示了正確設(shè)計(jì)只有一個(gè)必須遵守的方程式。除了這個(gè)等式之外,鼓勵(lì)工程師使用設(shè)計(jì)迭代來探索設(shè)計(jì)任務(wù)的可能性。對(duì)于電感,公式為:

圖 2:?jiǎn)坞姼衅髟O(shè)計(jì)方程式
這個(gè)單一方程告訴我們,對(duì)于給定的電感和它必須承載的峰值電流,您需要選定磁芯上的某個(gè)最小匝數(shù),以免磁芯材料飽和。就是這么簡(jiǎn)單。如何用導(dǎo)線、箔、利茲或其他材料排列這些匝將決定電感器的性能。變壓器更復(fù)雜,因?yàn)樗鼈兩嫌袃蓚€(gè)或更多繞組。但是,它們是電路模擬器中的基本元素,它們?cè)谠韴D中的符號(hào)也很簡(jiǎn)單。
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圖 3:理想變壓器及其等效電路
從圖 3 中的電路可以看出,理想變壓器的操作很容易定義。如果變壓器的匝數(shù)比為 n:1,則變壓器的輸出電壓正好等于輸入電壓除以 n。同樣,變壓器的輸入電流等于輸出電流除以 n。
這個(gè)具有兩個(gè)來源的簡(jiǎn)單等效電路為我們提供了一些重要的見解。請(qǐng)注意,輸入第一個(gè)繞組的功率與輸出第二個(gè)繞組的功率完全相等。換句話說,理想變壓器中沒有能量存儲(chǔ)。其結(jié)果是變壓器沒有固有的額定功率。我們可以將無限的功率推入一個(gè)繞組,并從第二個(gè)繞組接收無限的功率。
缺乏能量存儲(chǔ)使這成為可能。如果您使用過工頻變壓器,您就會(huì)知道這一點(diǎn)。標(biāo)簽上標(biāo)稱額定功率為 50 W 的變壓器非常有能力在短時(shí)間內(nèi)為您提供 500 W 的功率而不會(huì)產(chǎn)生不良影響。當(dāng)用切換器替換線性電源時(shí),很容易忽略這個(gè)事實(shí)。
構(gòu)建變壓器
圖 4 顯示了變壓器的構(gòu)造方式。我們有一個(gè)通常沒有缺口的核心。初級(jí)和次級(jí)匝通常一個(gè)在另一個(gè)之上纏繞,但也有例外。對(duì)于給定的芯尺寸和形狀,芯具有橫截面積,以及由芯的材料決定的磁導(dǎo)率。制作變壓器時(shí),繞組及其排列方式有無窮無盡的選擇。
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圖 4:變壓器的構(gòu)造
無論匝數(shù)如何排列,鐵芯如何選擇,都不可能做出理想的變壓器。理想變壓器只能存在于理論上的電路元件中。用于包圍變壓器場(chǎng)的磁芯為設(shè)備增加了許多額外的電路元件。其中第一個(gè)也是最重要的是磁化電感,它出現(xiàn)在等效電路中,如下所示。
請(qǐng)注意,我們?cè)谶@個(gè)電路模型中仍然有一個(gè)理想的變壓器,能夠處理無限的功率。然而,與這種理想器件并行的是變壓器的磁化電感。這個(gè)電路元件的行為與任何其他電感器一樣——如果我們通過它推動(dòng)過多的電流,我們可能會(huì)使材料飽和。這通常是在任何情況下都必須避免的破壞性事件。
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圖 5:具有并聯(lián)勵(lì)磁電感的理想變壓器
流過勵(lì)磁電感的電流不是負(fù)載電流。勵(lì)磁電流由施加在變壓器上的電壓波形決定,與流經(jīng)變壓器理想部分的電流無關(guān)。
圖 6 顯示了我們?nèi)绾卧谧儔浩髟O(shè)計(jì)中使用磁性材料。對(duì)于正激式轉(zhuǎn)換器,磁芯中的磁通量在每個(gè)循環(huán)開始時(shí)從零開始,并在開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間結(jié)束時(shí)增加到材料的峰值水平。對(duì)于橋式轉(zhuǎn)換器,我們可以在兩個(gè)象限中驅(qū)動(dòng)核心,這可以使核心的尺寸更小。但是,必須小心保持核心通量以零為中心,這可能很難控制。
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圖 6:變壓器磁芯中的磁通擺幅
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圖 7:外加電壓和磁化電流的影響
變壓器的一個(gè)方程
圖 7 顯示了在變壓器上施加的電壓波形,以及相應(yīng)的勵(lì)磁電流。電流在開關(guān)導(dǎo)通期間上升,并在復(fù)位期間再次下降至零。重置是通過各種方案實(shí)現(xiàn)的。它們中的每一個(gè)都涉及在變壓器的初級(jí)兩端施加負(fù)電壓以降低磁化電流。開關(guān)導(dǎo)通期間勵(lì)磁電流的斜率(以藍(lán)色顯示)由電感值和施加到變壓器的電壓決定。很容易證明,這個(gè)磁化電感和電流等價(jià)如下:
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圖 8:變壓器的單一設(shè)計(jì)方程式
擁有一個(gè)方程式是變壓器的關(guān)鍵方程式,這是一個(gè)有利的啟示。您無需更深入地開始繞組變壓器。對(duì)于在轉(zhuǎn)換器中運(yùn)行的變壓器,我們知道開關(guān)的最大電壓和最大導(dǎo)通時(shí)間。如果我們對(duì)鐵氧體材料采用 0.3 T 的最大磁通水平,那么任何給定的磁芯及其面積都具有避免飽和所需的定義匝數(shù)。用于設(shè)計(jì)可靠商用電源的 0.3 T 通量水平。高可靠性電源可能會(huì)將此水平降低到 0.25 T 或 0.2 T,具體取決于應(yīng)用。
理論上,我們可以將橋式轉(zhuǎn)換器的值翻倍至 0.6 T,認(rèn)識(shí)到磁通量可以在兩個(gè)方向上擺動(dòng)。但是,我們需要關(guān)注變壓器的初始啟動(dòng)。通量可以為零。轉(zhuǎn)換器中的大瞬態(tài)事件范圍可以從極輕負(fù)載到滿負(fù)載。這是一個(gè)謹(jǐn)慎的判斷,以充分的測(cè)試為后盾,決定了要使用多少可用凈空。
其他設(shè)計(jì)方程式和注意事項(xiàng)
擁有一個(gè)方程式可以簡(jiǎn)化事情。然而,當(dāng)您閱讀磁學(xué)教科書或應(yīng)用筆記時(shí),您會(huì)發(fā)現(xiàn)許多額外的設(shè)計(jì)方程和約束。與電感器設(shè)計(jì)一樣,其中大部分是消除設(shè)計(jì)迭代并一次性解決“最佳”設(shè)計(jì)的額外嘗試。在我看來,這沒有用。當(dāng)冷卻安排和結(jié)構(gòu)因應(yīng)用而異時(shí),您不可能使用相同的一組約束和指導(dǎo)來優(yōu)化每個(gè)設(shè)計(jì)。在這方面,我們忽略了填充因子、窗口面積乘積和導(dǎo)體電流密度的傳統(tǒng)準(zhǔn)則。教科書中的假設(shè)根本不適用于現(xiàn)代磁性結(jié)構(gòu)。它們?cè)醋赃^去的線頻磁學(xué)。使用 ONE EQUATION 并邊走邊學(xué)要好得多。
概括
創(chuàng)建變壓器設(shè)計(jì)需要一個(gè)設(shè)計(jì)方程。這個(gè)方程可以在所有磁性書籍中找到,但沒有強(qiáng)調(diào)為必不可少的一個(gè)方程。它隱藏在數(shù)百個(gè)其他方程下。一旦理解了這一點(diǎn),就可以非常簡(jiǎn)單地開始設(shè)計(jì)和構(gòu)建自己的變壓器。
變壓器是有趣的元素,因?yàn)樗鼈儾粌?chǔ)存能量,因此沒有明確的額定功率。這導(dǎo)致您將在生產(chǎn)設(shè)計(jì)中看到各種各樣的尺寸和形狀。一家公司的 100 W 變壓器鐵芯將被另一家公司以 800 W 的功率使用。雖然這乍一看令人費(fèi)解,但理解 ONE EQUATION 可以提供洞察力。
我們建議的方法是使用 ONE EQUATION 并快速構(gòu)建和迭代設(shè)計(jì)。變壓器設(shè)計(jì)方面的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)無可替代。
審核編輯:符乾江
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