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eine Entwurfsmethode für einen integrierten magnetischen Resonanztransformator, der in Nullstrom verwendet wird Militär DC DC Con

eine Entwurfsmethode für einen integrierten magnetischen Resonanztransformator, der in Nullstrom verwendet wird Militär DC DC Konverter


Zusammenfassung: Die In diesem Artikel wird kurz der Arbeitsmechanismus des Resonanzkreises in der Nullstrom-Weichschaltung DC / DC analysiert Konverter Durch Verwendung des magnetischen Integrationsprinzips wird die Streuinduktivität durch Erhöhen eines magnetischen Shunts im Standardtransformator gebildet und der Leistungstransformator wird in umgewandelt Speicher -Energie Die Entwurfsmethode für Resonanztransformatoren wird eingeführt Die tatsächliches Produkt des Modells MV48 B5 M200B Militär DC Gleichstromwandler wird zum Beispiel spezifische Entwurfsparameter von Resonanz Transformator vorgestellt bereitgestellt werden Durch theoretische Analyse und Prüfung wird die Machbarkeit der Entwurfsmethode nachgewiesen

Schlüssel Wörter: weiches Schalten, Transformator, Resonanzinduktivität, magnetische Integration


1. Einleitung

Hochfrequenz-Miniaturisierung ist der unvermeidliche Trend bei der Entwicklung der Schaltstromversorgung Soft-Switching Die militärische DC-DC-Wandlertechnologie ist eine der wichtigsten Forschungsrichtungen der modernen Leistungselektronik Soft-Switching Technologie macht Schalttransistor in Nullstrom (ZCS) oder Nullspannung (ZVS) Betriebszustand, wodurch der Schaltverlust verringert und die Arbeitsfrequenz der Schaltstromversorgung und die Effizienz der Schaltgeräte verbessert werden

Die Grundidee von Nullstrom Soft-Switching Schaltung startet von Durch die Schaltleitung steigt der Strom im Schaltgerät von an Null nach dem Sinusgesetz, wenn Der Strom fällt auf Null ab, schaltet die Schaltröhre aus und vermeidet so das Überkreuzen von Strom und Spannung beim Ausschalten, wodurch gleichzeitig der Ausschaltverlust verringert wird, weil der Strom steigt von Null, der Einschaltverlust verringert sich ebenfalls Resonanzeinheit der quasi-resonanten Stromkreis ist in der Regel in der sekundären, welche besteht aus Resonanzinduktivität und Resonanzkondensator Die Die Streuinduktivität des Transformators wird Teil der Resonanzinduktivität und nimmt an der Resonanz des Schaltkreises teil Forscher glauben, dass die Streuinduktivität von Transformator und Resonanzkondensator verwendet werden kann, um eine Resonanzeinheit zu bilden, so dass die Resonanzinduktivität weggelassen werden kann Es ist jedoch schwierig, die Streuinduktivität des Transformators durch Kontrolle der Konsistenz des Herstellungsprozesses zu gewährleisten Methode ist nicht geeignet für das Serialisierungsdesign und die Massenproduktion von militärischen Gleichstromwandlern

This In diesem Artikel wird eine Entwurfsmethode vorgestellt, bei der einem Standardtransformator ein magnetischer Shunt hinzugefügt wird, um eine Streuinduktivität zu bilden, und der Leistungstransformator in geändert wird ein Resonanztransformator mit Leckage Induktivität.

Die Entwurfsmethode kann auf verschiedene Spannungseingangsspannungsreihen angewendet werden, verschiedene Ausgangsspannungen, Ausgangsleistung militärische Gleichstromwandlerschaltung, hat eine starke technische Anwendbarkeit.


Prinzipanalyse von 2 ZCS Quasi-resonant Schaltkreis

2.1 Grundprinzipien der Funktionsweise

Die Der Soft-Switching-Modus kann den Schaltverlust und die durch den Schaltvorgang verursachte Schwingung erheblich reduzieren und die Schaltfrequenz erheblich erhöhen schafft Bedingungen für die Miniaturisierung und Modularisierung des Konverters Die grundlegende Leistungsarchitektur des militärischen Gleichstromwandlers ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Schaltung verwendet Common-Collector vorwärts aktiv Klemme ZCS / ZVS Topologie Die Hauptschalter Q1 von VMOS ist ZCS Schalter Die Hilfsschalter Q2 von VMOs ist ZVS switch.Because Der Hauptteil der Schaltung ist ZCS quasi-resonant Schaltung, und die Steuer- und Klemmenteile haben wenig Einfluss auf das Design des Resonanztransformators. Um die Analyse zu erleichtern, this Papier ignoriert den Steuer- und Klemmschalter Q2 Funktionsprinzip, studieren Sie nur den Hauptschalter Q1 und ZCS quasi-resonant Schaltung


Abb 1 Hauptstruktur der Schaltung

Abb 1 ist ein ZCS quasi-resonant Die Schaltung besteht aus einem Leistungsschalter Q1, einem Transformator T1, einer Gleichrichterdiode D1, einer Freilaufdiode D2 und einer Resonanzinduktivität L2 und einen Kondensator C1.


Abb 2 Prinzip und Arbeitswellenform von ZCS Resonanzkreis


in FIG. 2, L2 ist eine Resonanzinduktivität, die wird zunächst als sekundäre äquivalente Streuinduktivität eines Leistungstransformators, der Diode D2 , eingestellt kann sicherstellen, dass der Kondensator C1 wird nicht umgekehrt berechnet, und da die Ausgangsfilterinduktivität I3 ist viel größer als die Streuinduktivität L2 des Transformators kann die Last einer Stromquelle Io entsprechen, und die Streuinduktivität der Sekundärseite beträgt:

Von Im äquivalenten Modell können die Schaltungsgleichungen aufgelistet werden:

Zu Lösen Sie die obige Differentialgleichung und ersetzen Sie die Nullzustandsbedingung I2 (t = 0) = Io, Vc (t = 0) = 0 (der Zustand zu Beginn einer Schaltperiode wird erhalten

Wo ω ist die Resonanzwinkelfrequenz, z ist die charakteristische Impedanz der Schaltung, v ist die Spannung der Sekundärwicklung des Transformators,

Zu Nullstromabschaltung der Schaltröhre erreichen, I2 muss auf 0 reduziert werden, bevor die Schaltröhre ausgeschaltet wird wie aus von ersichtlich ist Gleichung (6), um bei jeder Last auf Null zurückkehren zu können, benötigt il :

Gleichung (7) ist die Resonanzbedingung von ZCS quasi-resonant Schaltung, seine physikalische Bedeutung ist, dass der Spitzenstrom der Resonanzeinheit nicht kleiner sein kann als den Laststrom, siehe Abbildung 3.



Abbildung 3 Resonanzstrom und Ausgangsstrom


Theoretisch ist es umso einfacher, die Resonanzbedingung unter verschiedenen Bedingungen zu erfüllen, je höher der Spitzenstrom der Resonanzeinheit ist, aber der Spitzenstrom fließt durch VMOS Schaltgeräte, Gleichrichterdioden und Resonanzkondensatoren erhöhen die Strombelastung und den Verlust dieser Geräte. es ist ein relativ idealer Zustand, dass der Spitzenresonanzstrom gleich dem Laststrom ist, der kann sicherstellen, dass Q1 kann unter allen Lastbedingungen bei Nullstrom ausgeschaltet werden, und der Gleichstromverbrauch wird minimiert im Ingenieurdesign unter Berücksichtigung von Rechnungstemperatur, Diskretion von Bauteilen und anderen Bedingungen, das Verhältnis von Ito IPK ist 0,75.



2.2 Berechnung der Resonanzinduktivität

Die Resonanzeinheit gezeigt in FIG. 2 die charakteristische Frequenz seiner Resonanz:

Weil Die Eingangsspannung, der Ausgangswiderstand und andere Parameter sind in der Gleichung Z enthalten. Die Gleichung kann den Resonanzinduktivitätswert des Resonanzkreises von ZCS berechnen quasi-resonant militärischer dc dc wandler mit unterschiedliche Sendespannung und Leistung.


Die Konstruktionsprinzip des Transformators mit 3 magnetische Flussdichte

3.1 kurze Einführung in die magnetische Integrationstechnologie

Die Die magnetische Integrationstechnologie ist eine neue Technologie integriert die magnetischen Elemente in eine Kernstruktur, indem die Beziehung zwischen dem magnetischen Fluss und dem Wicklungsstrom jedes magnetischen Elements im Stromrichter verwendet wird, um das Volumen des magnetischen Elements zu verringern, den Verlust des Kerns und der Wicklung zu verringern, und verbessern Sie die Leistungsdichte des Leistungswandlers Ziel der Veränderung der Verzweigungsstruktur des Magnetkerns ist wie um mehr verzweigte Magnetkreise zu erhalten, die kann durch drei Methoden erreicht werden: Hinzufügen zusätzlicher Magnete im Magnetkern, um den Mehrfachzweig zu erhalten Magnetkreis Struktur; Kombinieren des vorhandenen allgemeinen Magnetkerns, um den Mehrfachzweig zu erhalten Magnetkreis; Auswahl der speziell entwickelten Kernform, um den Mehrfachzweig zu erhalten Magnetkreis direkt.

3.2 Form und Magnetkreisdesign des Magnetsammeltransformators

in this Papier sollten die Resonanzkreisparameter sollten vernünftigerweise ausgelegt sein, sollte die Resonanzinduktivität und das Resonanzkondensator-Design erfüllen nicht nur die Nullstrombedingung, sondern berücksichtigen auch die Strombelastung anderer Geräte und den Verlust des gesamten Stromkreises Um die Größe der Resonanzinduktivität genau zu steuern, sind die Resonanzinduktivität und der Leistungstransformator magnetisch in integriert ein speziell entwickelter Kern, um ihn zur Transformatorleckage zu machen dass die verteilte Kapazität zwischen der Primär- und Sekundärseite des Transformators in ZCS Die weiche Schaltschaltung entspricht der Kapazität zwischen den ds-Polen von VMOS Schaltrohr, welches führt zu einer längeren Abschaltzeit von VMOs und ist nicht förderlich für die Realisierung von Hochfrequenz Schaltung, der Abstand zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung des u-Kerns ist relativ weit, die verteilte Kapazität ist klein und es ist leicht, eine Hochspannungsisolation zu erreichen, und die Fensterfläche des u-Kerns ist groß, so dass es leicht zu vergrößern ist magnetisch shunt.Based bei der obigen Analyse ist die Magnetkernstruktur des integrierten Magnettransformators in this ausgelegt Papier ist in Abbildung 4 dargestellt. Die Die Entwurfsidee besteht darin, eine rechteckige zentrale Spalte mit hinzuzufügen eine sehr kleine Querschnittsfläche in der Mitte des U-förmigen Transformatorkerns, so dass dem U-förmigen Transformator ein Zweigmagnetkreis hinzugefügt wird und Kupfer auf die Oberfläche des Magnetkerns aufgetragen wird, um die verteilte Kapazität zwischen dem Primär- und Sekundärtransformator und der Streuinduktivität, die durch einen anderen Streumagnetfluss neben dem Zweigmagnetkreis verursacht wird, obwohl this Die Streuinduktivität ist immer vorhanden und ihr Anteil ist klein.In um die Analyse zu erleichtern, this Papier wird als ein relativ kleiner fester Wert identifiziert, dessen Rolle durch die Schaltungstestergebnisse die magnetische Nebenschluss-Streuinduktivität der Mittelsäule auf korrigiert.



Abb 4 Kernstrukturdiagramm


Abb 5 Aufbau des Leckagemagnetkreises

Abb 5 ist ein schematisches Diagramm, das die Änderung des Magnetkreises des u-förmigen Magnetkerns zeigt Wann Es gibt keine Zwischen-Shunt-Schaltung im Magnetkern, der Magnetfluss wird durch den Primärspulen-Zugangsstrom I1 erzeugt wird vollständig mit der Sekundärspule und der Streuinduktivität LK1 gekoppelt des Transformators ist ungefähr Null. Die Das magnetische Schaltbild ist in gezeigt 5 (a). Wann In dem Magnetkern befindet sich eine Zwischen-Nebenschlussschaltung 5 (B) Nach Nach der Definition der Streuinduktivität wird der durch den Strom i der Primärwicklung erzeugte Magnetfluss in unterteilt zwei Teile, Φ 12 und Φ 13. Φ 13 durchläuft den Magnetkreis der zentralen Säule, aber nicht die Sekundärwicklung gemäß der Definition der Streuinduktivität der durch Φ erzeugte Magnetfluss 13 durch die zentrale Säule ist der Leckmagnetfluss des Transformators Die Induktivität erzeugt in this Teil der Magnetflusswicklung ist die Streuinduktivität des Transformators, die entspricht der Resonanzinduktivität im Sekundärkreis

Auslegung der Streuinduktivität von 3.3 magnetischer integrierter Transformator

wie aus von ersichtlich ist Im vorherigen Abschnitt kann die Streuinduktivität des Transformators geändert werden, indem der Querschnitt der zentralen Säule geändert wird, um die Resonanzbedingungen des Resonanzkreises zu erfüllen, jedoch weil Der Magnetkern wird einmal gesintert und geformt, die theoretische Induktivität unterscheidet sich immer von der tatsächliche Wert andererseits die Resonanzinduktivität des militärischen Gleichstromwandlers mit Die gleiche Ausgangsleistung und die unterschiedliche Ausgangsspannung sind ebenfalls unterschiedlich, so dass es offensichtlich nicht wirtschaftlich ist, für jede Ausgangsspannung einen Transformatorkern zu entwerfen um dies zu lösen Problem ist, dass der Luftspalt 8 in dem zentralen Magnetzweig so ausgelegt ist, dass der Luftspalt δ kann angepasst werden, um die Anforderungen verschiedener Resonanzinduktoren in technischen Anwendungen zu erfüllen In dem zentralen magnetischen Shunt befindet sich ein Luftspalt, wie in gezeigt 6, seit Die Luftdurchlässigkeit ist weitaus geringer als Die Permeabilität des Magnetkerns, die effektive Permeabilität im zentralen magnetischen Shunt nimmt ab, und die mittlere 13 nimmt ab, und somit nimmt auch die entsprechende Induktivität ab Je größer die Luftspaltlänge 8 ist, desto kleiner ist außerdem der Magnetfluss, der durch den zentralen Magnetshunt fließt, und desto kleiner ist die äquivalente Streuinduktivität relativ zum Transformator, so dass die Streuinduktivität des Transformators, dh die Resonanzinduktivität in Der Resonanzkreis kann durch Steuern der Luftspaltlänge δ genau gesteuert werden


Abb 6 schematische Darstellung des Magnetkreises

Um die Analyse zu vereinfachen, kann der Resonanztransformator mit integriertem Schaltkreis als C-Typ angesehen werden Kern mit Die gleiche Querschnittsfläche wie die in den sekundärseitigen Magneten eingebettete zentrale Magnetsäule (Abb. 7) und die vom Kern in der Sekundärwicklung erzeugte Induktivität ist die Streuinduktivität des Transformators



Abb 7 schematische Darstellung der äquivalenten Induktivität


Wo: RC - Magnetowiderstand der Kernschaltung, r § Magnetowiderstand des Luftspaltkreislaufs


im Allgemeinen RC = R kann die Formel der Induktivitätsberechnung ungefähr wie folgt lauten:


3.4 Aufbau einer magnetisch integrierten Resonanztransformatorwicklung

ZCS Schaltung nimmt PFM an Kontrolle, die Leitungszeit von VMOs Schalter Q1 fest ist, die Frequenz variabel ist, die Wicklungsmethode unterscheidet sich von PWM Schaltung, für feste Eingangsspannung und Lastbedingungen gibt es eine bestimmte Arbeitsfrequenz, nach dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion, die Spannung der Primärwicklung:

Integrieren Sie beide Seiten der Formel (17) zu bekommen:


Wenn das Verhältnis der ersten zur zweiten Umdrehung ist N, dann:


Wo K1 ist das Verhältnis der maximalen Schaltfrequenz zur Resonanzfrequenz:



Sekundärwicklung Windungen:


Die power VMOS Leitungszeit von vorwärts ZCS Die Schaltung ist eine Funktion der Eingangsspannung und der Last, und ihre Resonanzfrequenz f ist am unteren Ende der Eingangsspannung niedrig, und die Resonanzfrequenz am unteren Ende beträgt 0,75 des Entwurfs Frequenz.



Die Die obige Formel berücksichtigt nicht den Einfluss der Parameter wie den Spulenwiderstand des Transformators und den Widerstand von VMOS Gerät und der Spannungsübergang der Gleichrichterdiode bei der Berechnung von Max, und die berechneten Spulenwindungen sollten experimentell korrigiert werden


4 Konstruktionsbeispiel eines Resonanztransformators

Nehmen Sie den militärischen Gleichstromwandler mit 48V Eingangsspannung 5V Ausgangsspannung und 200W Ausgangsleistung Als Beispiel wird das Entwurfsverfahren des oben erwähnten Transformators im Detail beschrieben

Eingangsspannung: 36V ~ 75V

Ausgang Spannung: 5V

Ausgang Strom: 40A

maximale Betriebsfrequenz: 800K

on time: 500ns

4.1 Leistung, Größe und Design des Transformators

Die Der Konverter ist in einem Standard-Halbziegel verpackt Struktur basierend auf der obigen Analyse und kombiniert mit die Eigenschaften von this Projekt sind die in Abbildung 4 gezeigten Bemessungsabmessungen des Magnetkerns in Tabelle 1 dargestellt.


Die Die Entwurfsmethode für das Transformatorleistungsvolumen ist die am häufigsten verwendete Entwurfsmethode für den Transformator berechnet den Kernvolumenparameter a × a (das Produkt aus dem Kernfensterbereich a und dem effektiven Kernbereich A) entsprechend dem Volt-Ampere-Wert des Transformators.

wie aus von ersichtlich ist FIG. 4 und Tabelle 1:


(Fläche , die von einem × d Leckstrom besetzt ist)


Die Die Flächenproduktmethode wird normalerweise verwendet, um zu bestätigen, ob Der Kern erfüllt die Anforderungen an die Ausgangsleistung, und die ungefähre Formel lautet:

Wo: P0-Ausgang Leistung

△ b - - Variation der Flussdichte

F-TRANSFORMATOR Frequenz

k - Wellenformkoeffizient (Vorwärtswandler, k = 0,014)

Die Die Hauptmerkmale des Materials sind in Abbildung 8 und Abbildung 9 dargestellt. Von Abbildung 8 zeigt, dass der b-Wert von DM51W ist 430 mt bei 100 ℃ beträgt die Resonanzfrequenz des Wandlers 1 MHz, entsprechend dem Fluss Dichteleistung Verlustkurve von 1 MHz, der b-Wert beträgt 80 mT, der Stromverbrauch des Kerns beträgt 800 mW / cm3, this Der Stromverbrauch ist akzeptabel, also bm = 80 mT, weil Der tatsächliche Leistungspegel des Schaltkreises nimmt einen aktiven Klemmkreis an, der Kern arbeitet in 1-3 Quadranten


Abb 8 DM51W magnetischer Fluss dichtemagnetisch Feldintensitätskurve


Abb 9 DM51W Flussmittel Dichtekraft Verlustkurve


gemäß Gleichung (23) unter Berücksichtigung von Konto die 120 % Überlastungszustand,

Vergleichsformel (22) mit Formel (25), a · a > AP ist ersichtlich, dass die Magnetkerngröße die Anforderungen erfüllt.


4.2 Wicklungsdesign

Berechnen Sie gemäß Formel (18) die Primärwicklung.

Berechnen Sie die Sekundärwicklung nach der Formel (22).

Die Der Ausgangsstrom des Transformators ist groß und die Arbeitsfrequenz hoch. Der Hauteffekt und der Näherungseffekt des Leiters müssen berücksichtigt werden Konto, 0,2 mm x 13 Im Sekundärbereich wird ein ganzes Kupferblech verwendet, so dass der Hauteffekt verringert und der Proximity-Effekt beseitigt wird und der Verlust verringert werden kann


4.2 Berechnung der Streuinduktivität des Transformators und der Luftspaltlänge der Mittelsäule

Von Gleichung (8), die charakteristische Impedanz des Resonanzkreises

wie aus von ersichtlich ist Formel (11) und Formel (12), dass die Resonanzinduktivität und der Resonanzkapazitätswert sind:

bekannt durch Ausdruck (16)


Die Streuinduktivität L2 erhalten durch Gleichung (29) ist die gesamte Streuinduktivität des Resonanztransformators, und die inhärente Streuinduktivität des Transformators kann nicht ignoriert werden der Wert von L2 ist relativ klein, obwohl Maßnahmen wie die Verbesserung der Kopplung werden ergriffen, um die Streuinduktivität zu steuern, die durch den diskreten Magnetfluss verursacht wird, so dass die Luftspaltgröße durch Gleichung (31) bestimmt wird muss durch Testen korrigiert werden.

Zusammenfassend sind die Auslegungsparameter des Transformators

Primär: d 0,05 mm x 96 Leeds Draht Doppelwicklung 4 Windungen

Sekundär: 0,2 mm × 13 Kupferblechwicklung 1 Umdrehung

Magnetsäule Lücke: 0,55 mm

Kernstruktur Größe: gezeigt in Tabelle 1.

Die Die physischen Fotos des Transformators sind in Abbildung 10 dargestellt:


Abb 10 Fotos von internen physischen Objekten von Produkten


6 Testüberprüfung

6.1 Test des Transformators

Die Resonanzwandler mit integriertem Magnetkreis mit Ausgangsspannung von 5V und Ausgangsleistung von 200W ist nach der oben beschriebenen Methode ausgelegt Die Der Schaltungstest wird in der Zugriffsschaltung durchgeführt Die Die gemessenen Wellenformen der Schlüsselpunkte sind in Abb. dargestellt 11.




Abb 11 gemessene Wellenform der Schaltung

11 (a) und 11 (B), je kleiner der Laststrom ist, desto kleiner ist der Resonanzstrom Nulldurchgang Zeit ist und je einfacher es ist, die Resonanzbedingung zu erfüllen Die Je größer der Laststrom ist, desto größer ist der Resonanzstrom Nulldurchgang Zeit ist und je weniger einfach es ist, die Resonanzbedingung zu erfüllen; wenn der Laststrom ist konstant, je höher die Eingangsspannung ist und je kleiner der Resonanzstrom Nulldurchgang ist Zeit ist im Vergleich zu mit Feigen 11 (C) und 11 (d) .It kann gesehen werden von Die obigen Wellenformen zeigen, dass sich der Hauptschalter unter verschiedenen Lastbedingungen im Nullstrom befindet Modus, welche überprüft, ob die Idee des Entwurfs der Streuinduktivität des integrierten Magnettransformators korrekt ist und die Parameterentwurfsmethode angemessen ist.


Abb 12 Fotos von physischen Produkten


6.2 Anwendung von Transformatoren

Gemäß dem obigen Prinzip der magnetischen Integration kann der entworfene Resonanztransformator auf eine Reihe von Produkten angewendet werden, in denen die gemessene Wellenform des MV48B5M200Bmilitary Der Gleichstromwandler ist in Abbildung 12 dargestellt, und die technischen Anzeigen sind in Tabelle 2 dargestellt:


7. Schlussfolgerung

nach dem Prinzip der magnetischen Integration this In diesem Artikel wird eine Entwurfsmethode zur Integration der Resonanzinduktivität von ZCS vorgestellt quasi-resonant militärischer dc dc wandler in der Leistungstransformator Die theoretische Analyse- und experimentelle Verifizierungsergebnisse zeigen, dass die Resonanzinduktivität des von this entworfenen Resonanztransformators Das Verfahren kann durch Einstellen des magnetischen Nebenschlussluftspalts genau gesteuert werden ist für die Massenproduktion geeignet

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