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聊聊哪些因素影响着湖南干式变压器的频率

作者:湖南润生干式变压器厂  来源:http://hunan.zgqxmxh.com/  发布时间:2019-05-05
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湖南干式变压器产品日趋要求小型、轻量、高效率、低辐射、低成本等特点,增大湖南干式变压器产品的功率密度,可以通过提高其工作频率来实现,但高频化产品会产生一系列工程问题,从而限制了频率的提升。

湖南干式变压器产品在市场的应用主导下,日趋要求小型、轻量、高效率、低辐射、低成本等特点满足各种电子终端设备,为了满足现在电子终端设备的便携式,必须使湖南干式变压器体积小、重量轻的特点,因此,提高湖南干式变压器的工作频率,成为设计者越来越关注的问题,然而制约湖南干式变压器频率提升的因素是什么呢?

一、频率的提高,功率器件的损耗增大

1、管限制频率的因素有哪些?

a、速度

MOS管的损耗由损耗和驱动损耗组成,如图1所示:开通延迟时间td(on)、上升时间tr、关断延迟时间td(off)、下降时间tf。


图1


以FAIRCHILD公司的MOS为例,如表1所示:FDD8880时间特性表。



表1

对于这个MOS管,它的极限频率为:fs= 1/(td(on)+ tr+ td(off)+ tf) Hz=1/(8ns+91ns+38ns+32ns) =5.9MHz,在实际设计中,由于控制占空比实现调压,所以管的导通与截止不可能瞬间完成,即的实际极限频率远小于5.9MHz,所以管本身的速度限制了频率提高。

b、损耗

导通时对应的波形图如图2(A),截止时对应的波形图如图2(B),可以看到管每次导通、截止时管VDS电压和流过管的电流ID存在交叠的时间(图中黄色阴影位置),从而造成损耗P1,那么在频率fs工作状态下总损耗PS= P1 *fs,即频率提高时,导通与截止的次数越多,损耗也越大。




图2

总结:速度、损耗是限制频率的两个因素。

1、 变压器的铁损限制了频率的提高

变压器的铁损主要由变压器涡流损耗产生,如图3所示,给线圈加载高频电流时,在导体内和导体外产生了变化的磁场垂直于电流方向(图中1→2→3和4→5→6)。根据电磁感应定律,变化的磁场会在导体内部产生感应电动势,此电动势在导体内整个长度方向(L面和N面)产生涡流(a→b→c→a和d→e→f→d),则主电流和涡流在导体表面加强,电流趋于表面,那么,导线的有效交流截面积减少,导致导体交流电阻(涡流损耗系数)增大,损耗加大。




图3



如图4所示,变压器铁损是和频率的kf次方成正比,又与磁性温度的限制有关,所以随着频率的提高,高频电流在线圈中流通产生严重的高频效应,从而降低了变压器的转换效率,导致变压器温升高,从而限制频率提高。




图4

二、频率的提高,EMI设计、PCB布局难度增大

假设上述的功率器件损耗解决了,真正做到高频还需要解决一系列工程问题,因为在高频下,电感已经不是我们熟悉的电感,电容也不是我们已知的电容了,所有的寄生参数都会产生相应的寄生效应,严重影响湖南干式变压器的性能,如变压器原副边的寄生电容、变压器漏感,PCB布线间的寄生电感和寄生电容,会造成一系列电压电流波形振荡和EMI问题,同时对管的电压应力也是一个考验。

要提高湖南干式变压器产品的功率密度,首先考虑的是提高其频率,http://yingkou.zgqxmxh.com/能有效减小变压器、滤波电感、电容的体积,但面临的是由频率引起的损耗,而导致温升散热设计难,频率的提高也会导致驱动、EMI等一系列工程问题。



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