1.4反激式变压器的漏感和嵌位电压

大家好，我叫李思聪

是德州仪器高压小功率产品线的市场工程师

我要介绍的主题是如何优化变压器的设计

来改进反激式变换器的效率和 EMI 性能

现在介绍第四部分的内容

即反激式变压器的漏感

及钳位电压对损耗的影响

变压器的漏感是由绕组之间的漏磁通引起的

或者说磁通经过某一个绕组

但是呢有一部分不经过另外一个绕组

那么这部分就是漏磁通

那么它就是引起这个漏感

那么变压器的漏感只跟

变压器的绕组之间的物理结构有关

如果整个这个物理结构不变的话

那么仅仅通过调整气隙

来改变那个激磁电感

则变压器的漏感是不会变化的

Bruce Carsten 推导了一个经验的这个公式

来计算这个漏磁通

或者是漏感

是有这个公式

那么这个公式里面漏感是跟这个匝数的平方成正比

那么跟这个每匝这个平均线长成正比

那么跟这个绕组的这个宽度 b 成反比

那么跟这个绕组的高度以及绕组之间的

一个空气隙的宽度成正比

那么此外还跟绕组这个的平方成反比

那么后面会慢慢介绍怎样去定义这个绕组交错个数 m

漏感的大小跟存储在绕组之间的气隙中的能量成正比

气隙中的这个储存的能量跟磁场强度的平方成正比

或者是跟这个绕组这个气隙表面上

这个磁动势 MMF 这个大小成正比

那么对于 m 等于一的这种情况

就是没有交错的情况

那么就指原边绕组好以后

然后就副边绕组

那么在这种情况下

这个 MMF 就磁动势

是在这个气隙的表面上是最大的

那么它所以 m 等于2是指

这个在绕组的交界面的地方

那么磁动势是这种没有交错时候这个磁动势的一半

或者说一半

那么这种情况就是它的这个就叫 m 等于2

那么这有两种情况

一个就是把原边绕组分为了两半

那么副边绕组保持原来一个情况

那么这实际上它的这个峰值的磁动势是

m 等于1时候的一半

那么还有一种做法是当然是就是

副边次级绕组也分为了这个两部分

那么它这个在这个气隙处的这个磁动势

还是等于这个 m 等于1时的一半

那么 m 等于3同理的就是

在这个绕组这个气隙的这个

磁动势是原来这个 m 等于1时磁动势的1/3

那么也有这种两种结构

那么假设 m 等于1时的这个漏感

是为 Lleak 的话那么 m 等于2时

理论上在这一个界面上的这个漏感是它原来的1/4

因为跟它强度都成平方关系

但是因为它这个 m 等于2

它有两个截面就这面

所以呢它的漏感实际上是它的1/2

就是当 m 等于1时候的1/2

同样的对于 m 等于3的时候

它的漏感是这个 m 等于一时的漏感的1/3

那么另外要注意的一点是

通过初次级绕组交错

可以减少这个漏感

但是会增加这个绕组与绕组之间的这个界面

那么也就会增加这绕组与绕组之间的分布电容

从而会恶化这个共模噪声

这里显示了一个实际变压器的规格

用这个规格绕制的变压器

那么实测出来的这个漏感是3.2微亨

对于这种典型的这个绕组

那么可以把它每一层

通过将其转换成等面积的这个一个矩形块

然后计算每个矩形块的高度以及这个宽度

以及块与块之间这个气隙的这个高度

然后把这些参数放到这个计算的公式里

那么计算出来这个漏感是2.71微亨

那么这个测量结果跟这个实际测量结果非常的接近

那么表明用这个经验的

估算公式是可以估算变压器绕组漏感的大小

变压器的漏感代表着空间中储存的这个能量

那么这个能量必须被消耗掉

以保证这个主开关管的 VDS 的电压

保持在额定的这个值内

那么通常使用这个 RCD 钳位或者是 TVS 钳位电路

来达到这个目的

那么为了简单起见

这个 RCD 或者钳位电路

或者是 TVS 钳位用这个电压源来表示

那么当这个主开关管开通的时候

漏感跟激磁电感就储存能量

但这个关断的时候

这个激磁电感的能量

通过这个二极管传输给输出负载

漏感电流要通过这个 RCD 电路

那么通过钳位电路来损耗掉

那么在这个主开关管关断的时候

这时候这个加大了漏感两端电压

使这个钳位电压

加上这个输出电压

通过这个变压器反射回来

这个电压这个差

那么这个电压越大

那么漏感电流降到零的这个时间就会越快

这边用模拟仿真的结果来说明这个问题

左边这部分钳位电压是反射电压的这个1.1倍

右边这边仿真的结果是钳位电压为反射电压的1.5倍

从这边仿真结果，当这个钳位电压比较小的时候

那么漏感上的这个，就是加到漏感上的

这个电压差会比较小

那么漏感这个电流要从这个 peak 值降到零

需要更长的时间

同时你也可以看到电流从原边绕组转换到次级绕组

或者是副边绕组的时候

这个时间也会变得更长

跟这个右边这个图来比较

同时非常一个明显的就是

转换到这个输出

或者是次级侧这个电流的峰值

比这个钳位电压比较小的时候

这钳位这个峰值会小

那么这主要原因就是说

如果这个钳位电压比较小的话

那么储存在这个激磁电感或者原边绕组上的

这个能量会部分地被钳位电路给吸收掉

从而带来更低的这个效率

这边用这个钳位电压与反射电压比值

跟这个能量损耗的这个关系

来说明钳位电压对能量消耗的这个影响

那么这边显示的不同的这个

漏感跟激磁电感的比值

也就是说假设激磁电感不变的情况下

那么这个比值越大就表示漏感越大

那么显然漏感越大

这个能量损耗就越大

那么再看这个钳位电压跟反射电压比值

那么钳位电压跟这个反射电压比值

如果大于1.5倍以上的话

那么再增大这个钳位电压

实际上对这个能量损耗的这个影响变得很小了

当这个能量这个比值越小的话

那就这时候你看能量损耗就增大

这个能量损耗就增大

那么当这个能量消耗小于1.2倍之后

这个变化就非常非常的快

增大的速度就很大

那么这主要原因就是刚才介绍的

就是部分这个激磁电感里面

能量被消耗到了这个钳位电路上去了

所以要合理的选择钳位电压的大小

不能为了仅仅为了选择更小的 Rdson

这种 MOSFET 把钳位电压设定的很小

这边列出了本文的这个参考文献

那么大家有兴趣可以去下载

进一步的学习

谢谢大家

大家好，我叫李思聪

是德州仪器高压小功率产品线的市场工程师

我要介绍的主题是如何优化变压器的设计

来改进反激式变换器的效率和 EMI 性能

现在介绍第四部分的内容

即反激式变压器的漏感

及钳位电压对损耗的影响

变压器的漏感是由绕组之间的漏磁通引起的

或者说磁通经过某一个绕组

但是呢有一部分不经过另外一个绕组

那么这部分就是漏磁通

那么它就是引起这个漏感

那么变压器的漏感只跟

变压器的绕组之间的物理结构有关

如果整个这个物理结构不变的话

那么仅仅通过调整气隙

来改变那个激磁电感

则变压器的漏感是不会变化的

Bruce Carsten 推导了一个经验的这个公式

来计算这个漏磁通

或者是漏感

是有这个公式

那么这个公式里面漏感是跟这个匝数的平方成正比

那么跟这个每匝这个平均线长成正比

那么跟这个绕组的这个宽度 b 成反比

那么跟这个绕组的高度以及绕组之间的

一个空气隙的宽度成正比

那么此外还跟绕组这个的平方成反比

那么后面会慢慢介绍怎样去定义这个绕组交错个数 m

漏感的大小跟存储在绕组之间的气隙中的能量成正比

气隙中的这个储存的能量跟磁场强度的平方成正比

或者是跟这个绕组这个气隙表面上

这个磁动势 MMF 这个大小成正比

那么对于 m 等于一的这种情况

就是没有交错的情况

那么就指原边绕组好以后

然后就副边绕组

那么在这种情况下

这个 MMF 就磁动势

是在这个气隙的表面上是最大的

那么它所以 m 等于2是指

这个在绕组的交界面的地方

那么磁动势是这种没有交错时候这个磁动势的一半

或者说一半

那么这种情况就是它的这个就叫 m 等于2

那么这有两种情况

一个就是把原边绕组分为了两半

那么副边绕组保持原来一个情况

那么这实际上它的这个峰值的磁动势是

m 等于1时候的一半

那么还有一种做法是当然是就是

副边次级绕组也分为了这个两部分

那么它这个在这个气隙处的这个磁动势

还是等于这个 m 等于1时的一半

那么 m 等于3同理的就是

在这个绕组这个气隙的这个

磁动势是原来这个 m 等于1时磁动势的1/3

那么也有这种两种结构

那么假设 m 等于1时的这个漏感

是为 Lleak 的话那么 m 等于2时

理论上在这一个界面上的这个漏感是它原来的1/4

因为跟它强度都成平方关系

但是因为它这个 m 等于2

它有两个截面就这面

所以呢它的漏感实际上是它的1/2

就是当 m 等于1时候的1/2

同样的对于 m 等于3的时候

它的漏感是这个 m 等于一时的漏感的1/3

那么另外要注意的一点是

通过初次级绕组交错

可以减少这个漏感

但是会增加这个绕组与绕组之间的这个界面

那么也就会增加这绕组与绕组之间的分布电容

从而会恶化这个共模噪声

这里显示了一个实际变压器的规格

用这个规格绕制的变压器

那么实测出来的这个漏感是3.2微亨

对于这种典型的这个绕组

那么可以把它每一层

通过将其转换成等面积的这个一个矩形块

然后计算每个矩形块的高度以及这个宽度

以及块与块之间这个气隙的这个高度

然后把这些参数放到这个计算的公式里

那么计算出来这个漏感是2.71微亨

那么这个测量结果跟这个实际测量结果非常的接近

那么表明用这个经验的

估算公式是可以估算变压器绕组漏感的大小

变压器的漏感代表着空间中储存的这个能量

那么这个能量必须被消耗掉

以保证这个主开关管的 VDS 的电压

保持在额定的这个值内

那么通常使用这个 RCD 钳位或者是 TVS 钳位电路

来达到这个目的

那么为了简单起见

这个 RCD 或者钳位电路

或者是 TVS 钳位用这个电压源来表示

那么当这个主开关管开通的时候

漏感跟激磁电感就储存能量

但这个关断的时候

这个激磁电感的能量

通过这个二极管传输给输出负载

漏感电流要通过这个 RCD 电路

那么通过钳位电路来损耗掉

那么在这个主开关管关断的时候

这时候这个加大了漏感两端电压

使这个钳位电压

加上这个输出电压

通过这个变压器反射回来

这个电压这个差

那么这个电压越大

那么漏感电流降到零的这个时间就会越快

这边用模拟仿真的结果来说明这个问题

左边这部分钳位电压是反射电压的这个1.1倍

右边这边仿真的结果是钳位电压为反射电压的1.5倍

从这边仿真结果，当这个钳位电压比较小的时候

那么漏感上的这个，就是加到漏感上的

这个电压差会比较小

那么漏感这个电流要从这个 peak 值降到零

需要更长的时间

同时你也可以看到电流从原边绕组转换到次级绕组

或者是副边绕组的时候

这个时间也会变得更长

跟这个右边这个图来比较

同时非常一个明显的就是

转换到这个输出

或者是次级侧这个电流的峰值

比这个钳位电压比较小的时候

这钳位这个峰值会小

那么这主要原因就是说

如果这个钳位电压比较小的话

那么储存在这个激磁电感或者原边绕组上的

这个能量会部分地被钳位电路给吸收掉

从而带来更低的这个效率

这边用这个钳位电压与反射电压比值

跟这个能量损耗的这个关系

来说明钳位电压对能量消耗的这个影响

那么这边显示的不同的这个

漏感跟激磁电感的比值

也就是说假设激磁电感不变的情况下

那么这个比值越大就表示漏感越大

那么显然漏感越大

这个能量损耗就越大

那么再看这个钳位电压跟反射电压比值

那么钳位电压跟这个反射电压比值

如果大于1.5倍以上的话

那么再增大这个钳位电压

实际上对这个能量损耗的这个影响变得很小了

当这个能量这个比值越小的话

那就这时候你看能量损耗就增大

这个能量损耗就增大

那么当这个能量消耗小于1.2倍之后

这个变化就非常非常的快

增大的速度就很大

那么这主要原因就是刚才介绍的

就是部分这个激磁电感里面

能量被消耗到了这个钳位电路上去了

所以要合理的选择钳位电压的大小

不能为了仅仅为了选择更小的 Rdson

这种 MOSFET 把钳位电压设定的很小

这边列出了本文的这个参考文献

那么大家有兴趣可以去下载

进一步的学习

谢谢大家