Acht veelvoorkomende ontwerpfouten van hoogfrequente magnetische componenten in schakelende voedingen
1) Het vullen van het venster met een geoptimaliseerd ontwerp voor magnetische kernen
Veel ontwerpers van stroomvoorzieningen denken dat bij het ontwerpen van hoogfrequente magnetische componenten het beste ontwerp kan worden verkregen door het kernvenster te vullen, maar dat is niet zo. Bij het ontwerp van veel hoogfrequente transformatoren en inductoren kunnen we ontdekken dat het toevoegen van een of meer lagen wikkelingen, of het gebruik van geëmailleerde draden met grotere draaddiameters, niet alleen niet het optimale effect kan bereiken, maar ook het totale wikkelingsverlies zal vergroten. vanwege het nabijheidseffect bij het wikkelen.
Daarom maakt het bij het ontwerp van hoogfrequente magnetische componenten niet uit, zelfs niet als de wikkeling het venster met ijzeren kern niet volledig omhult, maar slechts 25% van het vensteroppervlak omhult. U hoeft niet te proberen het hele venstergebied te vullen.
Deze misvatting wordt voornamelijk beïnvloed door het ontwerp van magnetische componenten op netfrequentie. Bij het ontwerp van een vermogensfrequentietransformator wordt de integriteit van de kern en de wikkeling benadrukt, zodat er geen opening is tussen de kern en de wikkeling, en de wikkeling is over het algemeen ontworpen om het hele venster te vullen, waardoor de mechanische stabiliteit ervan wordt gewaarborgd. Het ontwerp van hoogfrequente magnetische componenten voldoet echter niet aan deze vereiste.
2) Geoptimaliseerd transformatorontwerp voor "ijzerverlies=koperverlies".
Veel energieontwerpers, zelfs in veel naslagwerken voor het ontwerpen van magnetische componenten, noemen "ijzerverlies=koperverlies" als een van de criteria voor een optimaal ontwerp van hoogfrequente transformatoren, maar dat is niet het geval. Bij het ontwerp van een hoogfrequente transformator kan het verschil tussen ijzerverlies en koperverlies groot zijn, en soms kan het verschil zelfs een orde van grootte bereiken, maar dit betekent niet dat de hoogfrequente transformator niet goed is ontworpen.
Deze misvatting wordt ook beïnvloed door het ontwerp van een netfrequentietransformator. Netfrequentietransformatoren bezetten vaak een groot oppervlak vanwege het grote aantal wikkelingen, dus vanuit het perspectief van thermische stabiliteit en thermische uniformiteit wordt de empirische ontwerpregel van "ijzerverlies=koperverlies" verkregen.
Voor hoogfrequente transformatoren geldt deze vuistregel echter niet. Bij het ontwerp van een hoogfrequente transformator voor schakelende voeding zijn er veel factoren die het optimale ontwerp bepalen, en "ijzerverlies=koperverlies" is eigenlijk het minst zorgwekkende aspect.
3) Gemagnetiseerde inductie met lekinductie=1%
Na het ontwerpen van de magnetische componenten leggen veel ontwerpers van voedingen vaak de lekinductantievereisten uit wanneer ze de relevante technische vereisten aan de transformatorfabrikanten voorleggen. Veel technische bladen zijn gemarkeerd met vergelijkbare technische vereisten, zoals "magnetiserende inductantie met lekinductantie=1%" of "magnetiserende inductantie met lekinductantie < 2%". In feite is dit soort schrijf- of ontwerpstandaard zeer onprofessioneel.
De ontwerper van de voeding moet een numerieke limiet instellen voor de aanvaardbare lekinductie volgens de normale werkvereisten van het circuit. Bij het maken van een transformator moet de lekinductantie zoveel mogelijk worden verminderd zonder andere parameters van de transformator (zoals de turn-to-turn-capaciteit) te verslechteren, in plaats van de proportionele relatie tussen lekinductantie en magnetiserende inductantie als een technische vereiste te beschouwen. .
Omdat de relatie tussen lekinductie en magnetisatie-inductie sterk varieert met de aanwezigheid of afwezigheid van een luchtspleet in de transformator. Als er geen luchtspleet is, kan de lekinductantie minder zijn dan 0,1% van de magnetiserende inductie, terwijl als er wel een luchtspleet is, zelfs als de transformatorwikkelingen nauw met elkaar zijn verbonden, de proportionele relatie tussen de lekkage inductie en de magnetiserende inductie kunnen 10% bereiken.
Daarom mag de proportionele relatie tussen lekinductie en magnetiserende inductie niet aan de fabrikant van magnetische componenten worden verstrekt als ontwerpindex van de transformator. Anders zal het aantonen dat u de lekkagekennis niet begrijpt of zich echt bekommert om de werkelijke lekwaarde. De juiste manier is om de absolute waarde van de aanvaardbare lekinductie te specificeren. Natuurlijk kan een bepaald aandeel worden opgeteld of afgetrokken, en de typische waarde van dit aandeel is 20%.
4) Lekinductie houdt verband met de permeabiliteit van de magnetische kern.
Sommige ontwerpers van stroomvoorzieningen zijn van mening dat het toevoegen van een magnetische kern aan de wikkelingen de wikkelingen nauwer met elkaar zal verbinden en de lekinductie tussen de wikkelingen zal verminderen; Sommige ontwerpers van voedingen denken dat de magnetische kern zal worden gekoppeld met het veld tussen de wikkelingen nadat de magnetische kern aan de wikkelingen is toegevoegd, waardoor de lekinductie kan toenemen.
In feite heeft de lekinductie van twee coaxiale wikkelingstransformatoren bij het ontwerp van een schakelende voeding niets te maken met het bestaan van magnetische kernen. Dit resultaat kan onbegrijpelijk zijn, omdat een materiaal met een relatieve permeabiliteit van enkele duizenden weinig effect heeft op de lekinductie als het zich dicht bij de spoel bevindt.
De meetresultaten van honderden transformatoren laten zien dat de verandering van de lekinductantie in principe niet meer dan 10% bedraagt, met of zonder magnetische kern, en dat veel veranderingen slechts ongeveer 2% bedragen.
5) De optimale waarde van de stroomdichtheid van de transformatorwikkeling is 2A/mm ~ 3,1A/mm.
Veel ontwerpers van voedingen beschouwen de stroomdichtheid in de wikkeling vaak als de standaard voor een optimaal ontwerp bij het ontwerpen van hoogfrequente magnetische componenten.
In feite heeft het optimale ontwerp niets te maken met de wikkelstroomdichtheid. Wat er echt toe doet, is hoeveel verlies er in de wikkeling zit en of de maatregelen voor warmteafvoer voldoende zijn om ervoor te zorgen dat de temperatuurstijging binnen het toegestane bereik blijft.
We kunnen ons twee extreme gevallen voorstellen van maatregelen voor warmteafvoer bij schakelende voeding. Wanneer vloeistofonderdompeling en vacuüm worden gebruikt voor respectievelijk warmteafvoer, zal de overeenkomstige stroomdichtheid in de wikkeling heel anders zijn.
Bij de daadwerkelijke ontwikkeling van schakelende voedingen gaat het ons niet om de stroomdichtheid, maar alleen om hoe heet het draadpakket is. Is de temperatuurstijging acceptabel?
Dit foutieve concept houdt in dat ontwerpers het aantal variabelen vereenvoudigen en daarmee het berekeningsproces vereenvoudigen om vervelende herhaalde vallen en opstaan te voorkomen, maar deze vereenvoudiging verklaart de toepassingsvoorwaarden niet.
6), primair wikkelingsverlies=secundair wikkelingsverlies "-geoptimaliseerd transformatorontwerp.
Veel ontwerpers van voedingen zijn van mening dat het geoptimaliseerde transformatorontwerp ermee overeenkomt dat het primaire wikkelingsverlies van de transformator gelijk is aan het secundaire wikkelingsverlies. Zelfs in veel ontwerpboeken van magnetische componenten wordt dit als standaard beschouwd voor een optimaal ontwerp. In feite is dit geen standaard voor een optimaal ontwerp.
In sommige gevallen kunnen het ijzerverlies en het koperverlies van de transformator vergelijkbaar zijn. Maar het maakt niet zoveel uit of er een groot verschil is tussen het primaire wikkelingsverlies en het secundaire wikkelingsverlies.
Er moet nogmaals worden benadrukt dat waar het ons bij het ontwerp van hoogfrequente magnetische componenten om gaat, is hoe heet de wikkeling is onder de gebruikte warmtedissipatiemodus. Primair wikkelingsverlies=secundair wikkelingsverlies is slechts een empirische regel bij het ontwerp van een netfrequentietransformator.
7) Als de diameter van de wikkeling kleiner is dan de penetratiediepte, zal het hoogfrequente verlies zeer klein zijn.
Het feit dat de wikkelingsdiameter kleiner is dan de penetratiediepte betekent niet dat er geen groot hoogfrequent verlies is. Als er veel lagen in de transformatorwikkeling zitten, zelfs als de draaddiameter veel dunner is dan de penetratiediepte, kan dit een groot hoogfrequent verlies veroorzaken vanwege het sterke nabijheidseffect.
Daarom moeten we bij het beschouwen van het wikkelverlies niet alleen het verlies door de dikte van geëmailleerde draad beoordelen, maar ook uitgebreid rekening houden met de opstelling van de gehele wikkelstructuur, inclusief de wikkelmodus, wikkellagen en wikkeldikte.
8) De resonantiefrequentie in open circuit van de transformator in het voorwaartse circuit moet veel hoger zijn dan de schakelfrequentie.
Veel ontwerpers van voedingen denken dat de resonantiefrequentie in open circuit van de transformator veel hoger moet zijn dan de schakelfrequentie van de omvormer bij het ontwerpen en testen van een transformator. In feite heeft de open-circuitresonantiefrequentie van de transformator niets te maken met de schakelfrequentie.
We kunnen ons het grensgeval voorstellen: voor een ideale magnetische kern is de inductie oneindig, maar er zal ook een relatief kleine draai-tot-draai-capaciteit zijn, en de resonantiefrequentie is ongeveer nul, wat veel kleiner is dan de schakelfrequentie.
Wat echt verband houdt met het circuit is de kortsluitresonantiefrequentie van de transformator. Over het algemeen moet de kortsluitresonantiefrequentie van de transformator meer dan twee ordes van grootte van de schakelfrequentie zijn.
