開(kāi)關(guān)電源中高頻磁性組件設計常見(jiàn)錯誤概念辨析
很多電源工程師對開(kāi)關(guān)電源中高頻磁性組件的設計存在錯誤的概念，其設計出來(lái)的高頻磁性組件不能滿(mǎn)足應用場(chǎng)合的要求，影響了研發(fā)的進(jìn)度和項目的按期完成�；�開(kāi)關(guān)電源及高頻磁性組件設計經(jīng)驗，對一些概念性錯誤進(jìn)行了辨析，希望能給大家提供借鑒，順利完成高頻磁性組件的設計以及整個(gè)項目的研制。
引言
開(kāi)關(guān)電源中高頻磁性組件的設計對于電路的正常工作和各項性能指針的實(shí)現非常關(guān)鍵。加之高頻磁性組件設計包括很多細節知識點(diǎn)，而這些細節內容很難被一本或幾本所謂的“設計大全”一一羅列清楚[1－3]。為了優(yōu)化設計高頻磁性組件，必須根據應用場(chǎng)合，綜合考慮多個(gè)設計變量，反復計算調整。正由于此，高頻磁性組件設計一直是令初涉電源領(lǐng)域的設計人員頭疼的難題，乃至是困擾有多年工作經(jīng)驗的電源工程師的問(wèn)題。
很多文獻及相關(guān)技術(shù)數據給出的磁性組件設計方法或公式往往直接忽略了某些設計變量的影響，作了假設簡(jiǎn)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。很多電源設計者并沒(méi)有意識到這一點(diǎn)，直接套用設計手冊中的公式，或把設計手冊中某些話(huà)斷章取義，尊為“設計綱領(lǐng)”，而沒(méi)有進(jìn)行透徹的分析和思考，以及實(shí)驗的驗證。其結果往往是設計出來(lái)的高頻磁性組件不能滿(mǎn)足應用場(chǎng)合的要求，影響了研發(fā)的進(jìn)度和項目的按期完成。 為了使電源設計者在設計過(guò)程中，避免犯同樣的錯誤，為此，我們針對在學(xué)習和研發(fā)中遇到的一些概念性的問(wèn)題進(jìn)行了總結，希望能給大家提供一個(gè)借鑒。
一些錯誤概念的辨析 這里以小標題形式給出開(kāi)關(guān)電源高頻磁性組件設計中8種常見(jiàn)的錯誤概念，并加以詳細的辨析。
1）填滿(mǎn)磁芯窗口——優(yōu)化的設計 很多電源設計人員認為在高頻磁性組件設計中，填滿(mǎn)磁芯窗口可以獲得最優(yōu)設計，其實(shí)不然。在多例高頻變壓器和電感的設計中，我們可以發(fā)現多增加一層或幾層繞組，或采用更大線(xiàn)徑的漆包線(xiàn)，不但不能獲得優(yōu)化的效果，反而會(huì )因為繞線(xiàn)中的鄰近效應而增大繞組總損耗。因此在高頻磁性組件設計中，即使繞線(xiàn)沒(méi)把鐵芯窗口繞滿(mǎn)，只繞滿(mǎn)了窗口面積的25％，也沒(méi)有關(guān)系。不必非得想法設法填滿(mǎn)整個(gè)窗口面積。
這種錯誤概念主要是受工頻磁性組件設計的影響。在工頻變壓器設計中，強調鐵芯和繞組的整體性，因而不希望鐵芯與繞組中間有間隙，一般都設計成繞組填滿(mǎn)整個(gè)窗口，從而保證其機械穩定性。但高頻磁性組件設計并沒(méi)有這個(gè)要求。
2）“鐵損=銅損”——優(yōu)化的變壓器設計 很多電源設計者，甚至在很多磁性組件設計參考書(shū)中都把“鐵損=銅損”列為高頻變壓器優(yōu)化設計的標準之一，其實(shí)不然。在高頻變壓器的設計中，鐵損和銅損可以相差較大，有時(shí)兩者差別甚至可以達到一個(gè)數量級之大，但這并不代表該高頻變壓器設計不好[4]。 這種錯誤概念也是受工頻變壓器設計的影響。
工頻變壓器往往因為繞組匝數較多，所占面積較大，因而從熱穩定、熱均勻角度出發(fā)，得出“鐵損=銅損”這一經(jīng)驗設計規則。但對于高頻變壓器，采用非常細的漆包線(xiàn)作為繞組，這一經(jīng)驗法則并不成立。在開(kāi)關(guān)電源高頻變壓器設計中，確定優(yōu)化設計有很多因素，而“鐵損=銅損”其實(shí)是最少受關(guān)注的一個(gè)方面。
3）漏感=1％的磁化電感 很多電源設計者在設計好磁性組件后，把相關(guān)的技術(shù)要求提交給變壓器制作廠(chǎng)家時(shí)，往往要對漏感大小要求進(jìn)行說(shuō)明。在很多技術(shù)單上，標注著(zhù)“漏感=1％的磁化電感”或“漏感<2％的磁化電感”等類(lèi)似的技術(shù)要求。其實(shí)這種寫(xiě)法或設計標準很不專(zhuān)業(yè)。
電源設計者應當根據電路正常工作要求,對所能接受的漏感值作一個(gè)數值限制。在制作變壓器的過(guò)程中，應在不使變壓器的其它參數（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(wú)氣隙變化很大。無(wú)氣隙時(shí)，漏感可能小于磁化電感的0.1％,而在有氣隙時(shí)，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(shí)際的漏感值。正確的做法是規定清楚可以接受的漏感絕對數值，當然可以加上或減去一定的比例，這個(gè)比例的典型值為20％。
4）漏感與磁芯磁導率有關(guān)系 有些電源設計者認為，給繞組加上磁芯，會(huì )使繞組耦合更緊密，可降低繞組間的漏感；也有些電源設計者認為，繞組加上磁芯后，磁芯會(huì )與繞組間的場(chǎng)相互耦合，可增加漏感量。
而事實(shí)是，在開(kāi)關(guān)電源設計中，兩個(gè)同軸繞組變壓器的漏感與有無(wú)磁芯存在并無(wú)關(guān)系。這一結果可能令人無(wú)法理解，這是因為，一種相對磁導率為幾千的材料靠近線(xiàn)圈后，對漏感的影響很小。通過(guò)幾百組變壓器的實(shí)測結果表明，有無(wú)磁芯存在，漏感變化值基本上不會(huì )超過(guò)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 很多電源設計者在設計高頻磁性組件時(shí)，往往把繞組中的電流密度大小視為優(yōu)化設計的標準。其實(shí)優(yōu)化設計與繞組電流密度大小并沒(méi)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。
我們可以設想一下開(kāi)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(shí)，繞線(xiàn)中相應的電流密度會(huì )相差較大。 在開(kāi)關(guān)電源的實(shí)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(xiàn)包有多熱？溫升是否可以接受？ 這種錯誤概念，是設計人員為了避免繁瑣的反復試算，而人為所加的限制，來(lái)簡(jiǎn)化變量數，從而簡(jiǎn)化計算過(guò)程，但這一簡(jiǎn)化并未說(shuō)明應用條件。
6）原邊繞組損耗=副邊繞組損耗”——優(yōu)化的變壓器設計 很多電源設計者認為優(yōu)化的變壓器設計對應著(zhù)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計書(shū)中也把此作為一個(gè)優(yōu)化設計的標準。其實(shí)這并非什么優(yōu)化設計的標準。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(méi)有多大關(guān)系。必須再次強調的是，對于高頻磁性組件設計我們所關(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計的一種經(jīng)驗規則。
7）繞組直徑小于穿透深度——高頻損耗就會(huì )很小 繞組直徑小于穿透深度并不能代表就沒(méi)有很大的高頻損耗。如果變壓器繞組中有很多層，即使繞線(xiàn)采用線(xiàn)徑比穿透深度細得多的漆包線(xiàn)，也可能會(huì )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(shí)，不能僅僅從漆包線(xiàn)的粗細來(lái)判斷損耗大小，要綜合考慮整個(gè)繞組結構的安排，包括繞組繞制方式、繞組層數、繞線(xiàn)粗細等。
8）正激式電路中變壓器的開(kāi)路諧振頻率必須比開(kāi)關(guān)頻率高得多 很多電源設計人員在設計和檢測變壓器時(shí)認為變壓器的開(kāi)路諧振頻率必須比變換器的開(kāi)關(guān)頻率高得多。其實(shí)不然，變壓器的開(kāi)路諧振頻率與開(kāi)關(guān)頻率的大小并無(wú)關(guān)系。我們可以設想一下極限情況：對于理想磁芯，其電感量無(wú)窮大，但也會(huì )有一個(gè)相對很小的匝間電容，其諧振頻率近似為零，比開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率的兩個(gè)數量級以上。
結語(yǔ)
為了使電源設計者在電源設計過(guò)程中，少犯同樣的錯誤，就我們在開(kāi)關(guān)電源的研發(fā)中遇到的一些與高頻磁性組件設計相關(guān)的概念性問(wèn)題進(jìn)行了總結，希望能起到拋磚引玉的作用。
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