漏感是由變壓器中一個(gè)繞組的磁通量引起的,該磁通量不耦合到其他繞組。 這是由于繞組之間的空間和間隙中的磁通量將能量存儲(chǔ)在這些間隙中,就像能量存儲(chǔ)在鐵氧體磁芯的氣隙中一樣。 漏感中的能量通常耗散到變壓器外部。
對(duì)于反激變壓器,最小化漏電感非常重要,因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下漏電感 能量在外部緩沖器或鉗位電路中耗散。 正如您稍后將看到的,將漏電與磁化電感的比率降至最低以最大限度地減少鉗位電路損失的磁化能量也很重要。
一、如何估計(jì)和最小化漏電感
幾種已發(fā)表的方法解釋了如何根據(jù)繞組的物理幾何形狀和變壓器中的層結(jié)構(gòu)來估計(jì)漏電感。 圖 1和公式顯示了使用夾層的方法。 此方法假設(shè)所有繞組層的全寬 b 相同,并且不能與某些部分寬度的層一起使用。 請(qǐng)注意,任何部分寬度層的漏電感都會(huì)高得多,隨著部分層寬度變窄而增加。
以下是公式的參數(shù):
• N = 與泄漏有關(guān)的繞組匝數(shù)
• MLT = 每匝繞組的平均長度
• Σh = 所有繞組層的高度總和
• Σc = 繞組層間距的高度總和
• m = 交錯(cuò)級(jí)別(繞組“部分”的數(shù)量)
• b = 骨架繞線寬度(繞線層的寬度)
圖1 典型的交錯(cuò)式反激變壓器繞組層間距
根據(jù) Dowell 方程中使用的假設(shè),圓形線徑 d 的每個(gè)繞組層都轉(zhuǎn)換為相同橫截面的等效矩形塊。 因此,h 與 d 并不完全相同:
如圖 2所示,您可以使用線徑和公式來計(jì)算每個(gè)繞組層的 h。 您可以使用中間膠帶或絕緣體的厚度,加上電線上的厚度或漆包覆層或任何其他絕緣體,再加上由于直徑 d 轉(zhuǎn)換為等效的 h 而產(chǎn)生的額外間隙,從而計(jì)算間距 c。
圖2 將每個(gè)繞組層對(duì)轉(zhuǎn)換為等效的 h 和 c
二、漏電感減少和最小化
漏感很大程度上取決于物理繞組幾何形狀; 您可以根據(jù)此幾何形狀估算漏電感。 可以通過以下方式降低漏電感:
• 交錯(cuò)——增加m 的值。
• 使用更寬的繞線寬度——最大化b。
• 最小化圈數(shù) N 和每圈平均長度 MLT。
• 最小化繞組層之間的間距cn 的厚度和數(shù)量。
• 最小化繞組層厚度、hn 和層數(shù)。
三、交錯(cuò)
圖3顯示了在傳統(tǒng)前向模式環(huán)境中降低漏電感的不同級(jí)別交錯(cuò)的示例變壓器。 但同樣的原理也適用于轉(zhuǎn)換間隔期間的反激式變壓器,此時(shí)初級(jí)和次級(jí)電流同時(shí)流動(dòng),以及漏感相關(guān)時(shí)。
圖3 不同級(jí)別的交錯(cuò)以減少漏感。
在第一個(gè)示例中,初級(jí)和次級(jí)并排放置,沒有交錯(cuò)。 下面相應(yīng)的 MMF 圖顯示了主要 MMF 如何建立到最大值,然后被次要 MMF 取消,回到零。 MMF 圖僅顯示 MMF 的一部分或區(qū)域累積并返回零 - 因此在此示例中,只有一部分,m = 1。
主要和次要在第二個(gè)示例中交錯(cuò)。 兩種交織方法不同,但等效。 這是因?yàn)樵谶@兩種情況下,MMF 在兩個(gè)不同的部分建立一個(gè)峰值并下降回零,所以在這兩種情況下 m = 2。類似地,第三個(gè)例子顯示了兩種不同的交織方法,但兩者在 交錯(cuò)部分,兩種情況下 m = 3。
由于漏電感與 m2 成反比,因此預(yù)計(jì)第一級(jí)交錯(cuò)兩部分(即 m = 2)會(huì)導(dǎo)致漏電感降低四倍。 通過從 m = 1 更改為 m = 2,如圖3所示,繞組結(jié)構(gòu)從單個(gè)初級(jí) - 次級(jí)界面變?yōu)閮蓚€(gè)界面,次級(jí)的每個(gè)面都有一個(gè)界面。 在交錯(cuò)情況下,現(xiàn)在有兩個(gè)界面間距間隙,c; 在非交錯(cuò)情況下,兩者的維度可能與單個(gè) c 的維度大致相同。 所以實(shí)際上,公式中的因子 Σc/m2 只減少了兩倍,而漏電感實(shí)際上只減少了一半。 盡管如此,這是一個(gè)顯著的減少,通常是非常有益的。
然而,設(shè)計(jì)人員應(yīng)該意識(shí)到,初級(jí)和次級(jí)繞組交錯(cuò)可能會(huì)增加變壓器成本,使 EMI 和安全合規(guī)性變得復(fù)雜(因?yàn)楝F(xiàn)在有兩個(gè)初級(jí) - 次級(jí)接口),并增加變壓器繞組間電容。
四、漏電感估計(jì) - 工作示例
我們現(xiàn)在使用公式來估計(jì)圖4中所示的典型反激式變壓器繞組結(jié)構(gòu)的漏電感。該結(jié)構(gòu)由分離的初級(jí)和夾在中間的輔助偏置層和次級(jí)層組成。 每個(gè)半初級(jí)纏繞在兩層上,次級(jí)和偏置層纏繞在單層上。 在次級(jí)和外半初級(jí)之間還有一個(gè)屏蔽層。 圖 4列出了所有電線尺寸。
圖4交錯(cuò)式反激變壓器繞組結(jié)構(gòu)。
我們將所有圓形線徑轉(zhuǎn)換為具有相同橫截面的等效矩形塊。 目標(biāo)設(shè)計(jì)的開關(guān)頻率為 60 kHz,δ ~0.31 mm。 屏蔽層足夠薄(0.05 毫米,δ 的六分之一),因此為簡單起見,我們將其作為次級(jí)和外半初級(jí)之間的絕緣空間的一部分(圖 5)。
圖5 樣品交錯(cuò)反激式變壓器繞組結(jié)構(gòu)到層高h(yuǎn)n和間距cn的轉(zhuǎn)換。
當(dāng)您知道所有導(dǎo)電層的高度 hn 和絕緣層的間距 cn 時(shí),您可以使用公式估算漏電感。在這種情況下,初級(jí)總匝數(shù) N = 34; 我們使用了 RM10 線軸,MLT = 52 毫米。 原版由兩部分交錯(cuò),m = 2; 繞組寬度 b = 9 mm。 (線軸標(biāo)稱尺寸實(shí)際上是 10 毫米,但由于導(dǎo)線絕緣和入口/出口導(dǎo)線布線,層填充通常是可用寬度的 90%)。
在公式中,2.71 µH 與測(cè)得的 3.2 µH 漏電感相當(dāng)接近。 差異歸結(jié)為實(shí)際繞組的實(shí)際非理想性,例如膠帶壓痕、入口/出口厚度和返回線。 盡管如此,我們已經(jīng)展示了如何估計(jì)給定繞組結(jié)構(gòu)的漏電感,以及如何客觀地比較不同繞組結(jié)構(gòu)的漏電感性能。 我們還展示了所選骨架形狀/幾何形狀對(duì)漏電感的影響。
五、鉗位電壓值對(duì)變壓器漏感損耗的影響
在單開關(guān)反激式轉(zhuǎn)換器中,您通常需要一個(gè)鉗位電路來限制開關(guān)的漏極電壓; 鉗位電路吸收存儲(chǔ)在變壓器漏電感中的能量,并且根據(jù)鉗位電壓的值,還會(huì)吸收一小部分磁化能量。在圖 6 中,您可以看到晶體管 Q 關(guān)斷后,所有的 初級(jí)電流轉(zhuǎn)移到鉗位電路(在圖6中由電壓源 VCLAMP 表示)。 漏電感 LLEAK 上將產(chǎn)生電壓,該電壓等于 VCLAMP 和反射次級(jí)電壓 VREFLECTED 之間的差值。 因此,漏電感中的電流(也是初級(jí)電流)將以取決于兩個(gè)電壓差的速率下降; 因此,磁化電流將流入鉗位電路,直到初級(jí)電流衰減為零。
圖6 簡化的反激原理圖,顯示了作為理想電壓鉗位的鉗位/緩沖器網(wǎng)絡(luò)
漏電感中電流減小的速率決定了電流轉(zhuǎn)移到次級(jí)的速率。 圖7說明了這個(gè)過程。
圖7 到次級(jí)繞組的電流傳輸 (a) 與電壓鉗位 (b) 的比較
在圖 7a 中,鉗位電壓僅比反射的次級(jí)電壓高 10%,在鉗位中損失了大量的磁化能量。 與圖 7b 相比,傳輸?shù)酱渭?jí)的電流明顯較低,其中鉗位電壓比反射的次級(jí)電壓高 50%。
在極端情況下,反射的次級(jí)電壓等于鉗位電壓,沒有電壓可用于 迫使漏電感中的電流比磁化電感中的電流衰減得更快; 因此,沒有磁化電流可以傳輸?shù)酱渭?jí)。 鉗位電路將吸收所有磁化能量和泄漏能量。
圖8 鉗位能量損失百分比與鉗位電平和漏感/磁化電感比的圖表。
圖 8顯示了鉗位中磁化能量損失的百分比 γ,它是鉗位電壓與初級(jí)反射電壓之比 α 以及漏電流與磁化電感的百分比的函數(shù)。
鉗位中的能量損失 隨著鉗位與反射電壓的比率下降到 1.2 以下,它迅速增加。 這種損耗對(duì)漏磁電感比也非常敏感。
雖然選擇較低的鉗位電壓可能允許使用具有較低 RDS(on) 的低壓開關(guān)晶體管,但增加的鉗位損耗很容易超過預(yù)期的好處。