Проектирование обратноходового преобразователя с планарным трансформатором

№ 5’2019
PDF версия
Новые разработки и исследования в силовой электронике направлены на уменьшение массы и габаритов при высоких КПД и динамических характеристиках. Зачастую перед разработчиками стоит задача спроектировать преобразователь большой мощности (порядка 1–2 кВт) с минимальными размерами.

Благодаря повышению частоты при одновременном снижении потерь мощности увеличивается удельная мощность преобразователя. При этом в некоторых случаях использование обычных трансформаторов имеет ряд ограничений. При уменьшении размеров обычных трансформаторов возможно увеличение потерь мощности из-за поверхностного эффекта (скин-эффекта) и эффекта близости [1]. По этой причине в последние годы все больший интерес вызывает проектирование высокочастотных преобразователей с планарными трансформаторами.

Планарный трансформатор представляет собой многослойную печатную плату с нанесенными на нее медными дорожками. Слои печатной платы разделены между собой слоями изоляции.

По сравнению с обычными трансформаторами планарный трансформатор имеет ряд преимуществ: значительно уменьшенная высота; большая площадь поверхности, в результате чего улучшается теплоотдача; уменьшается индуктивность рассеяния; хорошая воспроизводимость, обеспечиваемая структурой обмотки [2]. Современные технологии изготовления печатных плат позволяют изготовлять планарные трансформаторы на мощности вплоть до 2 кВт [3].

В качестве примера рассмотрим обратноходовой преобразователь с планарным трансформатором (рис. 1).

Схема электрическая принципиальная обратноходового преобразователя

Рис. 1. Схема электрическая принципиальная обратноходового преобразователя

Исходные данные для проектирования:

  • минимальное входное напряжение UACmin = 195 В;
  • максимальное входное напряжение UACmax = 265 В;
  • частота питающей сети fс = 50 Гц;
  • частота переключений силового транзистора fт = 132 кГц;
  • выходное напряжение Uвых = 5 В;
  • выходная мощность Pвых = 10 Вт;
  • КПД источника питания η = 0,85.

Для расчета параметров трансформатора обратноходового преобразователя воспользуемся методиками, описанными в [4, 5, 6].

Определим максимальную входную мощность:

Pвх.max = Pвых/η = 10/0,85 = 11,7647 Вт.

Минимальное входное выпрямленное напряжение определяется по формуле [4]:

Формула

где Cвх = 10 мкФ — входная накопительная емкость, определяемая из условия 1 мкФ на единицу мощности Pвых; tпр = 3 мс — время проводимости мостового выпрямителя.

Подставляя исходные данные, получим:

Формула

Определим максимальную относительную длительность включенного состояния силового транзистора:

Формула

где Uдоп = 100 В — значение, на которое увеличивается напряжение на транзисторе в закрытом состоянии относительно напряжения питания при передаче энергии в нагрузку. При входном напряжении питающей сети 85–264 В дополнительное напряжение находится в диапазоне 60–100 В [5]; Uси = 10 В — напряжение сток-исток силового транзистора.

На рис. 2 показана временная диаграмма напряжения сток-исток силового транзистора во время запирания.

Напряжение Uси силового транзистора

Рис. 2. Напряжение Uси силового транзистора

Если при расчете получилось, что γmax 0,5, то Uдоп необходимо выбрать таким образом, чтобы выполнялось условие γmax 0,5 [6].

Средний ток диодного моста:

Формула

Максимальный ток на первичной стороне трансформатора:

Формула

где Kи = 0,6 — коэффициент использования, показывающий отношение приращения тока дросселя ΔIL к максимальному значению.

Для проектирования планарного трансформатора был выбран сердечник EILP22 с типоразмером 22/6/16 мм и материалом сердечника N87.

Номинальная индуктивность первичной обмотки трансформатора рассчитывается по формуле [4]:

Формула

используя которую получим:

Формула

где Кп = 0,5 — коэффициент распределения потерь. Если Кп = 1, потери преобладают на вторичной стороне. Если Кп = 0, потери на первичной стороне. Если справочные данные отсутствуют, следует выбрать Кп = 0,5.

Количество витков первичной обмотки:

Формула

где Ae = 0,783 см2 — эффективное сечение сердечника; BM = 0,25 Тл — максимальная плотность магнитного потока.

Количество витков вторичной обмотки:

Формула

Глубина поверхностного слоя [7]:

δ = 2230/(fт)1/2 = 2230/(132)1/2 = 194,1 мкм,

где fт — частота переключений, в кГц.

Если взят проводник с толщиной wt меньшей, чем 2δ = 388,2 мкм, влияние скин-эффекта будет ограничено [7]. Примем ширину дорожки первичной обмотки равной wt1 = 0,5 мм, а вторичной обмотки равной wt2 = 2 мм.

Определим расстояние между витками первичной и вторичной обмотки:

Формула

Формула

где Nl1 = 6 и Nl2 = 2 — количество витков в одном слое первичной и вторичной обмотки соответственно; bw = 5,9 мм — доступная ширина намотки (рис. 3).

Расчетные значения топологии первичной и вторичной обмоток

Рис. 3. Расчетные значения топологии первичной и вторичной обмоток

Важна также компоновка слоев планарного трансформатора, поскольку она влияет на паразитные индуктивности и емкости. При компоновке без чередования (рис. 4а) наблюдается очень высокое сопротивление переменному току и высокая индуктивность рассеяния по сравнению с другими вариантами компоновки [3]. Однако при такой компоновке создается наименьшая паразитная емкость, поскольку имеется только одно пересечение между первичной и вторичной обмотками.

В случае полного чередования П‑В‑П‑В‑П‑В‑П‑В (рис. 4б) сопротивление переменному току и индуктивность рассеяния резко снижаются, чем меньше отношение электродвижущей силы к количеству слоев, тем более слабый эффект близости в соседних слоях и тем более низкое сопротивление переменному току. Семь пересечений между первичной и вторичной обмотками вызывают более высокую паразитную емкость, которая почти в 10 раз выше, чем при нечередующейся компоновке [3].

Трехмерные модели планарного трансформатора

Рис. 4. Трехмерные модели планарного трансформатора:
а) без чередования;
б) чередование П В П В П В П В;
в) чередование П В В П П В В П;
г) улучшенное чередование 0,5П В П В П В П В 0,5П

Чередование П‑В‑В‑П‑П‑В‑В‑П (рис. 4в) представляет собой другой тип компоновки полного чередования, отношение электродвижущей силы к количеству слоев, как и в предыдущем случае, равно 1. Если сравнивать с обычным полным чередованием П‑В‑П‑В‑П‑В‑П‑В, чередование П‑В‑В‑П‑П‑В‑В‑П имеет аналогичное сопротивление переменному току и индуктивность рассеяния, потому что их распределения ЭДС одинаковые. Примечательно, что паразитная емкость уменьшается без ухудшения других характеристик (индуктивность рассеяния или сопротивление переменному току), это связано с тем, что меньше пересечений (четыре) между первичной и вторичной обмотками [3].

Компоновка 0,5П‑В‑П‑В‑П‑В‑П‑В‑0,5П (рис. 4г) представляет собой улучшение полного чередования, где верхний слой соединен параллельно с нижним слоем, которые затем соединены последовательно с другими витками первичной обмотки. Таким образом, отношение ЭДС к количеству слоев может быть дополнительно уменьшено. Для такой компоновки характерны не только малые величины сопротивления переменному току и индуктивности рассеяния, но также меньшая паразитная емкость по сравнению с другими вариантами чередования [3].

На рис. 5 показано послойное расположение обмотки планарного трансформатора. Конструкция строится таким образом, что первичная обмотка трансформатора, содержащая 24 витка, распределяется на четыре слоя по шесть витков (слои 2, 3, 5, 6). Вторичная обмотка помещается на один слой и содержит два витка (слой 4), вспомогательная обмотка повторяет конструкцию вторичной обмотки (слой 5).

Топология планарного трансформатора

Рис. 5. Топология планарного трансформатора

Таким образом, компоновка трансформатора выбрана чередованием П‑П‑В‑В‑П‑П.

Рассчитаем максимально допустимый ток, протекающий через первичную обмотку:

Imaxдоп.1 = jhwt1 = 30×0,07×0,5 = 1,05 А,

где j = 30 А/мм2 — допустимое значение плотности тока; h = 70×10–3 мм — толщина проводника.

Максимально допустимый ток, протекающий через вторичную обмотку:

Imaxдоп.2 = jhwt2 = 30×0,07×2 = 4,2 А.

Величина паразитной емкости одного слоя первичной обмотки [8]:

Формула

где ε = 6 — диэлектрическая проницаемость материала основания; l1 = 473,3 мм — длина проводника; s1 = 4,2 мм — ширина зазора между краями печатного проводника.

Величина паразитной емкости одного слоя вторичной обмотки:

Формула

где l2 = 167 мм — длина проводника; s2 = 1,1 мм — ширина зазора между краями печатного проводника.

Для изготовления обмоток понадобится четыре двухсторонние печатные платы, разделенные между собой изоляционным материалом. Эти печатные платы помещаются в планарный ферритовый сердечник. Конструктивная модель такого трансформатора приведена на рис. 6.

Конструктивная модель планарного трансформатора

Рис. 6. Конструктивная модель планарного трансформатора

Топология печатной платы представляет собой наглядное изображение проектируемой платы и включает: границы печатной платы, корпусов радиоэлементов и микросхем с посадочными местами, электрические соединения, печатные проводники, переходные и крепежные отверстия, маркировку элементов и другую информацию, необходимую для удобства проектирования, изготовления и эксплуатации изделия.

На рис. 7 представлена топология печатной платы, содержащая верхний и нижний слой металлизации печатной платы, а также визуальная модель преобразователя.

Топология печатной платы и конструкция обратноходового преобразователя

Рис. 7. Топология печатной платы и конструкция обратноходового преобразователя

Для определения свойств печатной платы выполним расчет ее основных электрических параметров. Наличие изоляционного основания с большим значением диэлектрической проницаемости является причиной возникновения больших паразитных емкостей. Величина паразитной емкости между двумя проводниками определяется следующим образом:

Формула

где ε = 6 — диэлектрическая проницаемость материала основания; l = 17,5 мм — длина взаимного перекрытия проводников; h = 70×10–3 мм — толщина печатного проводника; S = 5,5 мм — ширина зазора между краями печатных проводников; tn = 0,8 мм — ширина проводника.

Для расчета паразитных емкостей выбирают такие участки печатной платы, на которых предполагается наибольшее ее значение (два параллельных печатных проводника с наименьшим зазором между ними или с большим зазором при большой протяженности параллельных участков). Составленная топология печатных проводников удовлетворяет заданным условиям, если максимальное значение паразитной емкости не превышает заданных значений. В противном случае необходимо выполнить одно или несколько из следующих требований: увеличить расстояние между проводниками, уменьшить ширину проводников или уменьшить длину одного из проводников. Предельное значение паразитной емкости не должно превышать 80 пФ.

Индуктивность печатного проводника толщиной h и шириной t рассчитывают по формуле:

Формула

тогда, подставляя известные значения в формулу, получим:

Формула

По вычисленным значениям С и L можно определить предельную рабочую частоту разработанной печатной платы. Печатная плата с завышенными паразитными индуктивностями и емкостями может стать причиной искажения напряжения на силовом транзисторе, а также привести к увеличению динамических потерь мощности преобразователя [9, 10].

Стремление к большой удельной мощности и уменьшению размеров преобразователя накладывает ряд ограничений. При использовании обычных трансформаторов возникает проблема повышенных потерь из-за поверхностного эффекта и эффекта близости проводов, особенно на частотах выше 100 кГц. С увеличением частоты переключений импульсных преобразователей постоянного напряжения все чаще в схемах применяются планарные трансформаторы и индуктивности, методики проектирования которых получили развитие за последнее время, о чем свидетельствует большое количество публикаций в отечественной и зарубежной литературе.

 

Литература
  1. Терейковский А. Потери в обмотках вследствие эффекта близости. Пер. статьи Dr. Ray Ridley. 
  2. Шихов С. Планарные трансформаторы на основе многослойных печатных плат // Компоненты и технологии. 2003. № 6.
  3. Ouyang Z., Thomsen O. C., Andersen M. A. E. Optimal Design and Tradeoffs Analysis for Planar Transformer in High Power DC-DC Converters. International Power Electronics Conference — ECCE ASIA. IPEC-Sapporo, 2010 IEEE.
  4. TOPSwitch-GX Flyback Design Methodology Application Note AN‑32
  5. Design Guide for Off-line Fixed Frequency DCM Flyback Converter
  6. BM2P0XX series PWM Buck-Boost converter Technical Design
  7. Шихов С. Проектирование планарных силовых трансформаторов // Компоненты и технологии. 2003. № 7.
  8. Кириллов А. В., Медведев В. Г., Чумаров С. Г. Основы конструирования и технологии производства радиоэлектронных средств. Метод. указания. Чуваш. ун-т, 2015.
  9. Белов Г. А., Абрамов С. В. Экспериментальное исследование понижающего импульсного преобразователя с одноконтурной системой управления. Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем: материалы 11‑й Всерос. науч.-техн. конф. Чуваш. ун-т, 2015.
  10. Абрамов С. В. Проектирование печатных плат импульсных преобразователей постоянного напряжения с учетом возможных помех. Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем: материалы 11‑й Всерос. науч.-техн. конф. Чуваш. ун-т, 2015.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.