eng
Выпуск #8/2019
М. Савин, С. Абрамов
Расчет и конструирование планарного трансформатора для обратноходового преобразователя
Расчет и конструирование планарного трансформатора для обратноходового преобразователя
Просмотры: 2206
DOI: 10.22184/1992-4178.2019.189.8.40.44
В статье приводится методика расчета планарного трансформатора обратноходового преобразователя, а также пример построения топологии и конструкции планарного трансформатора.
В статье приводится методика расчета планарного трансформатора обратноходового преобразователя, а также пример построения топологии и конструкции планарного трансформатора.
Теги: converter dimensions power switching frequency габариты мощность преобразователь частота переключений
Расчет и конструирование
планарного трансформатора
для обратноходового
преобразователя
М. Савин 1, С. Абрамов, к. т. н.2
С увеличением частоты переключений импульсных преобразователей постоянного напряжения все чаще в схемах применяются планарные трансформаторы и индуктивности, методики проектирования которых получили развитие в последнее время. В статье приводится методика расчета планарного трансформатора обратноходового преобразователя, а также пример построения топологии и конструкции планарного трансформатора.
Новые разработки и исследования в силовой электронике направлены на повышение частоты переключений преобразователей, снижение потерь мощности и уменьшение габаритов. Зачастую перед разработчиками стоит задача спроектировать преобразователь большой мощности (порядка 1–2 кВт) с минимальными размерами.
Благодаря повышению частоты преобразователя при одновременном снижении потерь мощности увеличивается удельная мощность преобразователя. При этом в некоторых случаях использование обычных проволочных трансформаторов имеет ряд ограничений. При уменьшении размеров обычных проволочных трансформаторов возможно увеличение потерь мощности из-за поверхностного эффекта (скин-эффекта) и эффекта близости [1]. По этой причине в последние годы все более популярными при проектировании высокочастотных преобразователей становятся планарные трансформаторы.
Планарный трансформатор представляет собой многослойную печатную плату с нанесенными на нее медными дорожками. Слои печатной платы разделены между собой слоями изоляции.
По сравнению с обычными трансформаторами планарный трансформатор имеет следующие преимущества: значительно уменьшенную высоту (низкий профиль); большую площадь поверхности, в результате чего улучшается теплоотдача, уменьшается индуктивность рассеяния; хорошую воспроизводимость, которая обеспечивается структурой обмотки [2]. Современные технологии изготовления печатных плат позволяют конструировать планарные трансформаторы на мощности вплоть до 2 кВт [3].
Рассмотрим пример конструирования планарного трансформатора для обратноходового преобразователя. Разные варианты компоновки обмоток позволяют частично обеспечить оптимальное соотношение параметров при компромиссных ситуациях без потерь, что играет важную роль в оптимизации планарного трансформатора [3]. Далее рассматриваются преимущества и недостатки четырех типичных вариантов чередования обмоток планарного трансформатора, их трехмерные модели показаны на рис. 1.
Компоновка без чередования (рис. 1а) дает очень высокое сопротивление переменному току и высокую индуктивность рассеяния по сравнению с другими вариантами компоновки [3]. Однако при такой компоновке создается наименьшая паразитная емкость, поскольку имеется только одно пересечение между первичной и вторичной обмотками.
В случае полного чередования П-В-П-В-П-В-П-В (рис. 1б) сопротивление переменному току и индуктивность рассеяния резко снижаются, так как чем меньше отношение электродвижущей силы к количеству слоев, тем более слабый эффект близости в соседних слоях, и тем более низкое сопротивление переменному току. Семь пересечений между первичной и вторичной обмотками приводит к более высокой паразитной емкости, которая почти в 10 раз больше, чем при нечередующейся компоновке [3].
Чередование П-В-В-П-П-В-В-П (рис. 1в) представляет собой другой тип компоновки полного чередования. Отношение электродвижущей силы к количеству слоев, как и в предыдущем случае, равно единице. Если сравнивать с обычным полным чередованием П-В-П-В-П-В-П-В, чередование П-В-В-П-П-В-В-П имеет аналогичное сопротивление переменному току и индуктивность рассеяния, потому что распределения ЭДС при данных чередованиях одинаковые. Примечательно то, что паразитная емкость уменьшается без ухудшения других характеристик (индуктивность рассеяния или сопротивление переменному току), это связано с меньшим числом пересечений (четыре) между первичной и вторичной обмотками [3].
Компоновка 0,5П-В-П-В-П-В-П-В‑0,5П (рис. 1г) представляет собой улучшение полного чередования, в котором верхний слой соединен параллельно с нижним слоем, которые затем соединены последовательно с другими витками первичной обмотки. Таким образом, отношение ЭДС к количеству слоев может быть дополнительно уменьшено. Для такой компоновки характерны не только малые величины сопротивления переменному току и индуктивности рассеяния, но также меньшая паразитная емкость по сравнению с другими вариантами чередования [3].
Исходные данные для проектирования: минимальное входное напряжение UACmin = 195 В; максимальное входное напряжение UACmax = 265 В; частота питающей сети fс = 50 Гц; частота переключений силового транзистора fт = 132 кГц; выходное напряжение Uвых = 5 В; выходная мощность Pвых = 10 Вт; КПД источника питания η = 0,85.
Для расчета параметров трансформатора обратноходового преобразователя воспользуемся методиками, описанными в [4–6].
Определим максимальную входную мощность:
.
Минимальное входное выпрямленное напряжение определяется по формуле [4]
,
где Cвх = 10 мкФ – входная накопительная емкость, определяемая из условия 1 мкФ на единицу мощности Pвых; tпр = 3 мс – время проводимости мостового выпрямителя.
Определим максимальную относительную длительность включенного состояния силового транзистора:
,
где Uдоп = 100 В – величина, на которую увеличивается напряжение на транзисторе в закрытом состоянии относительно напряжения питания при передаче энергии в нагрузку. При входном напряжении питающей сети 85–264 В дополнительное напряжение находится в диапазоне 60–100 В [5]; Uси = 10 В – напряжение сток-исток силового транзистора.
Если при расчете получилось, что γmax ≥ 0,5, то Uдоп необходимо выбрать таким образом, чтобы выполнялось условие γmax ≥ 0,5 [6].
Средний ток диодного моста:
.
Максимальный ток на первичной стороне трансфор-
матора:
,
где Kи = IR / I1 = 0,6 – коэффициент использования, показывающий отношение приращения тока дросселя ΔIL к максимальному значению.
Номинальная индуктивность первичной обмотки трансформатора:
где Кп = 0,5 – коэффициент распределения потерь. Если Кп = 1, то потери преобладают на вторичной стороне. Если Кп = 0, то потери на первичной стороне. Кп = 0,5 следует выбирать, если справочные данные отсутствуют.
Количество витков первичной обмотки:
,
где Ae = 0,783 см2 – эффективное сечение сердечника; BM = 0,25 Тл – максимальная плотность магнитного потока.
Количество витков вторичной обмотки:
.
Глубина поверхностного слоя:
мкм,
где fт – частота переключений, кГц.
Если берется проводник с толщиной wt меньшей, чем 2δ = 388,2 мкм, вклад скин-эффекта будет ограничен [7]. Примем ширину дорожки первичной обмотки (wt1) равной 0,5 мм, а вторичной обмотки (wt2) равной 2 мм.
Определим расстояние между витками первичной и вторичной обмоток:
;
,
где Nl1 = 6 и Nl2 = 2 – количество витков в одном слое первичной и вторичной обмоток соответственно; bw = 5,9 мм – доступная ширина намотки.
Послойное расположение обмотки планарного трансформатора показано на рис. 2. Конструкция строится таким образом, что первичная обмотка трансформатора, содержащая 24 витка, распределяется на 4 слоя по 6 витков (слои 2, 3, 5, 6). Вторичная обмотка помещается на 1 слой и содержит 2 витка (слой 4).
Конструкция планарного трансформатора (рис. 3) преобразователя представляет собой наглядное изображение проектируемых слоев и включает: электрические соединения, печатные проводники, переходные и крепежные отверстия, маркировку и прочую информацию, необходимую для удобства проектирования, изготовления и эксплуатации изделия.
С увеличением частоты переключений импульсных преобразователей постоянного напряжения все чаще в схемах применяются планарные трансформаторы и индуктивности, методики проектирования которых получили развитие в последнее время, о чем свидетельствует большое количество публикаций в отечественной и зарубежной литературе.
Литература
Терейковский А. Потери в обмотках вследствие эффекта близости / Пер. статьи Dr. Ray Ridley. –
https://mp36c.ru/pdf/library/articles/T_L/Потери_в_
обмотках_вследствие_эффекта_близости.pdf
Шихов С. Планарные трансформаторы на основе многослойных печатных плат // Компоненты и технологии. 2003. № 6. С. 28–34. – https://www.kit-e.ru/assets/files/pdf/2003_06_28.pdf
Ouyang Ziwei, Thomsen Ole Cornelius, Andersen Michael A. E. Optimal Design and Tradeoffs Analysis for Planar Transformer in High Power DC-DC Converters. – International Power Electronics Conference – ECCE ASIA – IPEC-Sapporo 2010 IEEE.
TOPSwitch-GX Flyback Design Methodology Application Note AN‑32. – https://www.power.com/sites/default/files/PDFFiles/an32.pdf
Design Guide for Off-line Fixed Frequency DCM Flyback Converter. – https://www.mouser.com/pdfdocs/2–8.pdf
BM2P0XX series PWM Buck-Boost converter Technical Design. – https://www.rohm.com/documents/11405/3315897/Applicationnote_BM2P0XX_flyback_ iso_revA_EN.pdf
Шихов С. Проектирование планарных силовых трансформаторов // Компоненты и технологии. 2003. № 7. С. 22–27. –
https://www.kit-e.ru/assets/files/pdf/2003_07_22.pdf
планарного трансформатора
для обратноходового
преобразователя
М. Савин 1, С. Абрамов, к. т. н.2
С увеличением частоты переключений импульсных преобразователей постоянного напряжения все чаще в схемах применяются планарные трансформаторы и индуктивности, методики проектирования которых получили развитие в последнее время. В статье приводится методика расчета планарного трансформатора обратноходового преобразователя, а также пример построения топологии и конструкции планарного трансформатора.
Новые разработки и исследования в силовой электронике направлены на повышение частоты переключений преобразователей, снижение потерь мощности и уменьшение габаритов. Зачастую перед разработчиками стоит задача спроектировать преобразователь большой мощности (порядка 1–2 кВт) с минимальными размерами.
Благодаря повышению частоты преобразователя при одновременном снижении потерь мощности увеличивается удельная мощность преобразователя. При этом в некоторых случаях использование обычных проволочных трансформаторов имеет ряд ограничений. При уменьшении размеров обычных проволочных трансформаторов возможно увеличение потерь мощности из-за поверхностного эффекта (скин-эффекта) и эффекта близости [1]. По этой причине в последние годы все более популярными при проектировании высокочастотных преобразователей становятся планарные трансформаторы.
Планарный трансформатор представляет собой многослойную печатную плату с нанесенными на нее медными дорожками. Слои печатной платы разделены между собой слоями изоляции.
По сравнению с обычными трансформаторами планарный трансформатор имеет следующие преимущества: значительно уменьшенную высоту (низкий профиль); большую площадь поверхности, в результате чего улучшается теплоотдача, уменьшается индуктивность рассеяния; хорошую воспроизводимость, которая обеспечивается структурой обмотки [2]. Современные технологии изготовления печатных плат позволяют конструировать планарные трансформаторы на мощности вплоть до 2 кВт [3].
Рассмотрим пример конструирования планарного трансформатора для обратноходового преобразователя. Разные варианты компоновки обмоток позволяют частично обеспечить оптимальное соотношение параметров при компромиссных ситуациях без потерь, что играет важную роль в оптимизации планарного трансформатора [3]. Далее рассматриваются преимущества и недостатки четырех типичных вариантов чередования обмоток планарного трансформатора, их трехмерные модели показаны на рис. 1.
Компоновка без чередования (рис. 1а) дает очень высокое сопротивление переменному току и высокую индуктивность рассеяния по сравнению с другими вариантами компоновки [3]. Однако при такой компоновке создается наименьшая паразитная емкость, поскольку имеется только одно пересечение между первичной и вторичной обмотками.
В случае полного чередования П-В-П-В-П-В-П-В (рис. 1б) сопротивление переменному току и индуктивность рассеяния резко снижаются, так как чем меньше отношение электродвижущей силы к количеству слоев, тем более слабый эффект близости в соседних слоях, и тем более низкое сопротивление переменному току. Семь пересечений между первичной и вторичной обмотками приводит к более высокой паразитной емкости, которая почти в 10 раз больше, чем при нечередующейся компоновке [3].
Чередование П-В-В-П-П-В-В-П (рис. 1в) представляет собой другой тип компоновки полного чередования. Отношение электродвижущей силы к количеству слоев, как и в предыдущем случае, равно единице. Если сравнивать с обычным полным чередованием П-В-П-В-П-В-П-В, чередование П-В-В-П-П-В-В-П имеет аналогичное сопротивление переменному току и индуктивность рассеяния, потому что распределения ЭДС при данных чередованиях одинаковые. Примечательно то, что паразитная емкость уменьшается без ухудшения других характеристик (индуктивность рассеяния или сопротивление переменному току), это связано с меньшим числом пересечений (четыре) между первичной и вторичной обмотками [3].
Компоновка 0,5П-В-П-В-П-В-П-В‑0,5П (рис. 1г) представляет собой улучшение полного чередования, в котором верхний слой соединен параллельно с нижним слоем, которые затем соединены последовательно с другими витками первичной обмотки. Таким образом, отношение ЭДС к количеству слоев может быть дополнительно уменьшено. Для такой компоновки характерны не только малые величины сопротивления переменному току и индуктивности рассеяния, но также меньшая паразитная емкость по сравнению с другими вариантами чередования [3].
Исходные данные для проектирования: минимальное входное напряжение UACmin = 195 В; максимальное входное напряжение UACmax = 265 В; частота питающей сети fс = 50 Гц; частота переключений силового транзистора fт = 132 кГц; выходное напряжение Uвых = 5 В; выходная мощность Pвых = 10 Вт; КПД источника питания η = 0,85.
Для расчета параметров трансформатора обратноходового преобразователя воспользуемся методиками, описанными в [4–6].
Определим максимальную входную мощность:
.
Минимальное входное выпрямленное напряжение определяется по формуле [4]
,
где Cвх = 10 мкФ – входная накопительная емкость, определяемая из условия 1 мкФ на единицу мощности Pвых; tпр = 3 мс – время проводимости мостового выпрямителя.
Определим максимальную относительную длительность включенного состояния силового транзистора:
,
где Uдоп = 100 В – величина, на которую увеличивается напряжение на транзисторе в закрытом состоянии относительно напряжения питания при передаче энергии в нагрузку. При входном напряжении питающей сети 85–264 В дополнительное напряжение находится в диапазоне 60–100 В [5]; Uси = 10 В – напряжение сток-исток силового транзистора.
Если при расчете получилось, что γmax ≥ 0,5, то Uдоп необходимо выбрать таким образом, чтобы выполнялось условие γmax ≥ 0,5 [6].
Средний ток диодного моста:
.
Максимальный ток на первичной стороне трансфор-
матора:
,
где Kи = IR / I1 = 0,6 – коэффициент использования, показывающий отношение приращения тока дросселя ΔIL к максимальному значению.
Номинальная индуктивность первичной обмотки трансформатора:
где Кп = 0,5 – коэффициент распределения потерь. Если Кп = 1, то потери преобладают на вторичной стороне. Если Кп = 0, то потери на первичной стороне. Кп = 0,5 следует выбирать, если справочные данные отсутствуют.
Количество витков первичной обмотки:
,
где Ae = 0,783 см2 – эффективное сечение сердечника; BM = 0,25 Тл – максимальная плотность магнитного потока.
Количество витков вторичной обмотки:
.
Глубина поверхностного слоя:
мкм,
где fт – частота переключений, кГц.
Если берется проводник с толщиной wt меньшей, чем 2δ = 388,2 мкм, вклад скин-эффекта будет ограничен [7]. Примем ширину дорожки первичной обмотки (wt1) равной 0,5 мм, а вторичной обмотки (wt2) равной 2 мм.
Определим расстояние между витками первичной и вторичной обмоток:
;
,
где Nl1 = 6 и Nl2 = 2 – количество витков в одном слое первичной и вторичной обмоток соответственно; bw = 5,9 мм – доступная ширина намотки.
Послойное расположение обмотки планарного трансформатора показано на рис. 2. Конструкция строится таким образом, что первичная обмотка трансформатора, содержащая 24 витка, распределяется на 4 слоя по 6 витков (слои 2, 3, 5, 6). Вторичная обмотка помещается на 1 слой и содержит 2 витка (слой 4).
Конструкция планарного трансформатора (рис. 3) преобразователя представляет собой наглядное изображение проектируемых слоев и включает: электрические соединения, печатные проводники, переходные и крепежные отверстия, маркировку и прочую информацию, необходимую для удобства проектирования, изготовления и эксплуатации изделия.
С увеличением частоты переключений импульсных преобразователей постоянного напряжения все чаще в схемах применяются планарные трансформаторы и индуктивности, методики проектирования которых получили развитие в последнее время, о чем свидетельствует большое количество публикаций в отечественной и зарубежной литературе.
Литература
Терейковский А. Потери в обмотках вследствие эффекта близости / Пер. статьи Dr. Ray Ridley. –
https://mp36c.ru/pdf/library/articles/T_L/Потери_в_
обмотках_вследствие_эффекта_близости.pdf
Шихов С. Планарные трансформаторы на основе многослойных печатных плат // Компоненты и технологии. 2003. № 6. С. 28–34. – https://www.kit-e.ru/assets/files/pdf/2003_06_28.pdf
Ouyang Ziwei, Thomsen Ole Cornelius, Andersen Michael A. E. Optimal Design and Tradeoffs Analysis for Planar Transformer in High Power DC-DC Converters. – International Power Electronics Conference – ECCE ASIA – IPEC-Sapporo 2010 IEEE.
TOPSwitch-GX Flyback Design Methodology Application Note AN‑32. – https://www.power.com/sites/default/files/PDFFiles/an32.pdf
Design Guide for Off-line Fixed Frequency DCM Flyback Converter. – https://www.mouser.com/pdfdocs/2–8.pdf
BM2P0XX series PWM Buck-Boost converter Technical Design. – https://www.rohm.com/documents/11405/3315897/Applicationnote_BM2P0XX_flyback_ iso_revA_EN.pdf
Шихов С. Проектирование планарных силовых трансформаторов // Компоненты и технологии. 2003. № 7. С. 22–27. –
https://www.kit-e.ru/assets/files/pdf/2003_07_22.pdf
Отзывы читателей
