一种中小型平面图变电器/电感的设计方案详解　

1.前言

　　伴随着电子器件网络技术的飞速发展，各种各样电子产品已踏入SMT(Surface mounTIng technology)时期，电子产品愈来愈规定轻、薄、微型化。传统式的输出功率型电子变压器、电感尽管在整流管、分立式晶体三极管时期起过关键功效，而在今天模块化设计电子产品中，因容积过大而不能运用，怎样研发出中小型平面图电子变压器、电感是现在设计方案工作人员关心的网络热点。文中简述了选用双层印制电路板生产技术、数控车床生产加工技术性、表层涂敷技术性和运用高频率无耗铁氧体磁芯设计方案和制作了230kHz、达120W的中小型平面图变电器和20A、10μH的大电流量滤波电感器。

　　2.电源电路方式和变电器、电感的性能指标

　　图1为数字功放箝位/校准单摆正激SPWM的主电源电路。该电源电路具备零工作电压变换作用，有益于提高工作效率和减少EMI/RFI。

　

　 　　该电源电路由VQ2、VD2和Ccl构成箝位电源电路，为漏感L1及励磁电感Lm的储能技术迁移给予一个低阻工作中通道，VQ2通断后Ccl再次被电池充电，箝位电源电路电流量以串联谐振方法减少。因稳压管VD1截至，L1与Lm呈串连相互连接，串联谐振由L1、 Lm及Ccl决策，故对变电器初中级有一定的电感器量规定。

　　此外，该电源电路VQ1截至后，变电器绕阻工作电压极性反转，Ca被电池充电，电池充电流程中，被磁化电流量慢慢减少，根据适度选择主要参数，做到在被磁化电流量过零点前启用VQ2,为被磁化电流量转换方向给予了很有可能，被磁化电流量反方向后，箝位工作电压Ucl反方向加到变电器初中级绕阻，推动变电器B-H工作中地区拓展到第二象限和第三象限。与此同时，Ccl电容器储能技术释放迁移至L1及Lm存储。VQ1通断后B-H工作中点从第三象限逐渐，一切正常工作中地区基本上与B-H轴原点对称，在该对称性地区主要表现为：B-H单边转变 标值与传统的单摆正激SPWM是一致的。为保持輸出一切正常调整，增加同样伏-秒积数到变电器，造成的变压器铁芯耗损相对性于单摆正激SPWM是一致的。具体运行时，应选择较大工作中磁通密度(Bm),变电器可运行于- Bm～ Bm，从而△B=2Bm,如图2。

　

　　电源电路中T1为大家必须制定的变电器，输出功率f=230KHz，键入工作电压Vin=230V，初中级电感器量Lm=117μH±10%，较大工作中比0.45，输出电压Vo=5V，輸出电流量Io=20A，Lo为滤波电感，Lo=10μH，工作中温度为-45℃～50℃，升温≤50℃，实验工作电压2KV，变电器、电感高宽比≤12mm,长、宽均在40mm上下。

　　3.平面图变电器、电感磁心及结构形式

　　3.1 磁心

　　目前用以输出功率型开关变压器的软磁材料有：坡莫合金、非晶态铝合金、超纳米微晶铝合金、铁氧体磁芯等各种原材料。挑选铁氧体磁芯原材料制做磁心，出自于对合理区域的灵活运用，又务必挑选芯柱较粗、窗宽较阔的磁心，那样才有助于降低线圈匝数和减少电流强度。由于总体高宽比的限定，还需做好需要的生产加工。

　　3.2 绕阻

　　传统式的绕阻将电磁线圈绕在框架上，而且输电线全是环形横截面，加上工作中于高频率，输电线穿过高频率电流的磁场时，其还受趋肤效应透过深层△的限定，计算方法为

　

　　式中 △为透过深层(mm)，ω为角频率，ω=2πf(rad)。μ为输电线导磁率(H/m)，γ为输电线电导率(S/m)。

　　铜的相对性导磁率相当于1，即是真空磁导率，则

将此带入上式可简化为

　　

　　式中 f=230KHz 则可以用输电线直徑2△=0.275mm。故一般在大电流量状况下变电器绕阻都选用多芯线线圈电感，这一定会使磁心窗孔使用率大幅度降低。我们决定小电流量的低级线圈和輔助绕阻各自用双层印制电路板和双面板生产制造，达到20A的次级绕组和滤波电感绕阻选用具备矩形框断面的伸缩铜箔生产制造，令其窗孔获得最有效地运用。

　　4. 变电器设计方案

　　4.1 由输出功率传送工作能力明确磁心规格

　　变电器的输出功率传送工作能力在于磁心柱的范围与窗孔总面积之相乘Ap值

　　式中：Pt为变电器初、次级线圈输出功率之和，变电器高效率较高时可用2倍的功率。Kj为磁心的构造参量，其值在365～632中间，大家取450。△B为增加量磁通量，依据电源电路△B=2Bm, Bm取0.1T，则△B =0.2T。f为输出功率230 KHz。Ku为对话框使用率，在0.3～0.4中间。Kf为波型指数，矩形框波取4，正弦波形取4.44。

　　将之上数据信息带入测算得

　　AP=0.6855～1.1638中间。

　　大家历经多次较为和测算，挑选了PQ40型磁心，并研磨成大家必须的规格。如图所示3，其AP值仅为0.69。

　　

　　4.2 绕阻

　　(1)初中级线圈匝数测算

　　

　　式中

　　Up1为变电器键入电流的最少幅度值230V，△B为增加量磁通量0.2T，α为较大工作中比0.45，Sc为磁心截面1.74mm2。

　　将之上数据信息带入测算得

　　W1=12.93匝。

　　(2) 次级线圈线圈匝数测算

　　

　　式中：Up2为次级绕组工作电压幅度值,

，Uo为输出电压5V。△U2为整流二极管损耗及路线损耗，取1.7V则, Up2=14.889V，W2=0.837匝。

　　将线圈匝数调节为整数金额后

　　W1=15匝

　　W2=1匝

　　4.3 绕阻电流量

　　忽视励磁电流电流量等，初、次级线圈电流有效值按单边单脉冲波形测算，

　　

　　4.4 各绕阻方式及升温

　　由于初中级绕阻电流有效值为0.895A,大家运用8层印制电路板制做，各层为7.5匝，左右各4层串联，随后各7.5匝串连产生15匝第一次绕阻，如图4。

　　

　　第一次绕阻超负荷工作中时耗损为1.07W。

　　次绕阻电流有效值为13.42A，充分考虑受趋肤效应透射率的限定,大家选用2片薄厚为0.3mm铜箔，经数控车床生产加工成如图所示5的样子。次级绕组超负荷工作中时耗损为0.709W。輔助绕阻和意见反馈绕阻各1匝用双面板生产制造，样子如图所示6。因为电流量不大，耗损忽略。

　　

　　依据材料，由输出功率、Bm值及操作温度测算出铁损为1.296W。

　　变电器安装后外观设计如图所示7，其排热总面积s=42.88cm2 。企业总面积损耗输出功率q=0.0524W/cm2 。依据图8能查得其升温为42℃。评测超负荷工作中时的升温为34℃。

　

　　5.滤波电感设计方案

　　在滤波电感的制定中，大家选用PQ32型磁心，研磨成我图9所显示的外形和规格。 　　

　　5.1明确滤波电感线圈匝数W

　　

　　式中 L为性能指标标准的电感器量。大磁密状况下的漏感占20%。磁心电感器只能以0.8L。Lg为磁密长短，充分考虑电感器规定较好的线形，故lg取1.8mm。Ag为磁密处等效电路横截面，Ag取1.2倍的磁心横截面，Ag=1.267mm2。

　　将之上数据信息带入，得

　　W=9.52 匝，求整为10匝。

　　5.2 明确绕阻方式及升温测算

　　充分考虑该电感器电流量达20A,仅谐波失真頻率为230KHz,主要成分仍为直流电流，故选用薄厚0.45mm，宽4.5mm的铜箔做绕阻。

　　经数控车床生产加工,伸缩后的样子如图所示10,进行如图所示11。

　　

　　经测算其绕阻横截面S=2.025mm2，绕阻长短l=0.612m，绕阻耗损Pm=2.7992W。

　　因为工作中时△B极低，铁损忽略。

　　滤波电感安装后外观设计如图所示12。依据尺寸测算排热总面积S=27.04cm2，企业总面积损耗输出功率q=0.10352W/cm2。依据图8能查得其升温为65℃。评测超负荷工作中时的升温为48℃。

　　

　　6.对变电器(滤波电感)安装在含有热管散热器的太阳能电池片上升温可大幅度降低的剖析

　　传统式变电器因安裝托架与底版触碰总面积不够总体总面积的1%，且又未采取任何对策，故都沒有将底版列入协助排热的范畴。而平面图变电器与底版优良触碰总面积可以达到25%上下，这就大大的改进了排热标准。

　　传热就是指科学研究直接接触的物件各一部分能量转移的方法和实际效果。

　　我们要探讨变电器安装在含有热管散热器的太阳能电池片上所接到的实际效果。这就务必明白下列标准：

　　变电器基础理论升温为42℃。

　　变电器超负荷工作中数小时后，其与太阳能电池片触碰的底边具体升温为29℃。与冷轧钢板触碰的热管散热器表层升温为27℃。

　　按1仟瓦·钟头(kw·h)=859.8仟卡(kcal)计算，变电器的总耗损2.051瓦·钟头=1.763仟卡。

　　依据双层平壁平稳情况下传热工程项目计算机所导出来的发热量Q:

　

　　式中：t1-t5为双层面壁思过温差2℃。Rr1...Rr4为双层平壁的总传热系数(℃·h/ kcal)。δ为各层平壁的薄厚(m)。导热胶0.0001，铜泊0.00015，物质0.00015，太阳能电池片0.002。λ为各层平壁的传热系数(kcal/(m·h·℃)。导热胶0.194，铜泊330，物质0.26，太阳能电池片204。A为变电器底边与平壁触碰的总面积0.00104m2。

　　将之上数据信息带入，得

　　Q=0.3873(kcal)

　　即含有热管散热器的太阳能电池片迁移了变电器总耗损2.051W的21.96%，因此其具体升温减少20%上下也就在意料之中了。

　　以相同的形式可估算出含有热管散热器的太阳能电池片对滤波电感的实际效果，这儿就不会反复描述了。 　　

　　7.结语

　　之上设计方案的变电器和滤波电感，已根据电气性能检测、高低温试验循坏实验、高低温试验存储实验，特性均符合规定。

　根据该设计方案的变电器、滤波电感可得到下列结果：

　　以数控车床生产加工的伸缩铜箔，既达到高频率受趋肤效应透射率的限定，又具备矩形框横截面，加上铜箔表层以漆做绝缘层，进一步提高了窗孔使用率。伸缩铜箔绕阻、双层印制电路板和双面板绕阻与手工制作缠线方法对比，遍布主要参数一致性好，有利于电源电路调节。

　　用以输出功率达到200KHz之上的开关变压器、滤波电感，可制定成中小型平面化，其高宽比可减少到集成电路芯片和电力电容器等元器件的同一数量级，一样可安装到含有热管散热器的太阳能电池片上。凭借热管散热器，在同样损耗效率的标准下，可减少升温20%之上。

　　若批量生产，依据必须再次设计方案磁心，使其底面积增加，对话框更有效，变电器和滤波电感的升温将进一步减少及其规格进一步减少。

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