CN110415957A - 反激电源交错绕组变压器的屏蔽结构设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种反激电源交错绕组变压器的屏蔽结构设计方法，该方法不会增加滤波器设计的负担，整个设计过程采用仿真和计算，不会增加额外的物料成本。此外，本发明减少了交错绕法变压器装置的重量和体积；屏蔽层本身较轻，且厚度较薄，不会增加变压器或整个电源装置的重量或体积；通过设计变压器中合适的双铜箔屏蔽层在一定程度上抑制了共模噪声，减轻了共模滤波器的设计负担，可以适当减小滤波器的重量和体积，从而减少整个装置的重量和体积。同时，本发明针对共模噪声的抑制效果十分显著；使用本发明方法设计出来的交错绕法变压器双铜箔屏蔽层对反激电路负载侧的共模噪声进行抑制，与采用传统屏蔽层的共模噪声抑制效果相比明显更低。
Description
技术领域
本发明属于开关电源变压器屏蔽设计技术领域，具体涉及一种反激电源交错绕组变压器的屏蔽结构设计方法。
背景技术
反激式开关电源由于具有隔离功能，广泛应用于通信、服务系统和小功率电子设备中，这些设备都需要满足相关的电磁兼容(EMC)标准，因此开关电源产品设计中往往有一定的电磁干扰(EMI)滤波措施。而伴随着开关器件越来越好的开关特性，高的dv/dt和di/dt带来严重的EMI问题，这些严重的EMI问题一方面会使电源产品难以达到相关EMC标准，另一方面即使达到相关EMC标准，有时也会在较敏感的负载侧形成共模噪声，对电子负载造成严重干扰。
交错绕法指的是将原边分成两部分并把副边线圈夹在中间(或反之)的变压器绕制方式；如果拿原-副-原的交错绕法与传统绕法相比较，交错绕法增加了原副边的有效耦合面积，可以大大降低变压器漏感，减小开关管的尖峰脉冲；但由于原副边之间有了两个接触面，绕组之间结构电容会相应的增大，EMI水平相比于传统绕法会增加。
采用滤波器对共模干扰进行抑制可以降低EMI水平，但却增加了电源装置的体积和重量；如图1所示，带有交错绕法变压器的反激式开关电源的共模干扰源包括：原边的MOSFET和副边二极管在开关动作产生的dv/dt和di/dt。在交错绕法变压器内部设计合适的双层屏蔽层，可以有效的减小变压器中的共模电流，从而在不增加滤波器体积和重量的情况下降低共模噪声的水平。
变压器中的屏蔽层物理参数主要包括双层铜箔屏蔽层的宽度wsh1、wsh2，如图2所示，当屏蔽层居中置于变压器磁芯窗口时，双层铜箔屏蔽层的设计方法主要是指对这铜箔屏蔽宽度的设计达到对EMI最好的抑制效果的方法。
理论上如果固定好屏蔽层的长度、厚度和位置，适当调整宽度即可以使变压器中的共模电流最小，从而将负载侧的共模噪声抑制到最低水平，但如何定量设计这个指标却难以快速有效的实现。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种反激电源交错绕组变压器的屏蔽结构设计方法，该方法不会增加滤波器设计的负担，整个设计过程采用仿真和计算，不会增加额外的物料成本。
一种反激电源交错绕组变压器的屏蔽结构设计方法，包括如下步骤：
(1)通过测量获取变压器的结构参数及电气参数，并初始化设定变压器屏蔽层的位置在磁芯窗口正中处；
(2)利用有限元分析软件仿真出在各屏蔽结构设计方案下变压器内部原副边绕组与屏蔽层之间的结构电容数据；
(3)根据上述仿真得到的结构电容数据，计算出在各屏蔽结构设计方案下变压器的共模评估等效电容；
(4)取对应共模评估等效电容最小的一组屏蔽结构设计方案，并依此对变压器屏蔽层结构进行设计。
进一步地，在对变压器屏蔽层设计之前，设定屏蔽层的长度为其圆周长，屏蔽层的厚度则根据其实际所选用的材料厚度而定，故这两个参数均事先选定为常数。
进一步地，所述变压器从磁芯径向依次由第一层原边绕组、第一屏蔽层、副边绕组、第二屏蔽层、第二层原边绕组交错绕制。
进一步地，每组屏蔽结构设计方案即包含了第一屏蔽层和第二屏蔽层各自的宽度。
进一步地，所述变压器内部原副边绕组与屏蔽层之间的结构电容数据包括：第一层原边绕组与第一屏蔽层之间的结构电容、第一层原边绕组与副边绕组之间的结构电容、第二层原边绕组与第二屏蔽层之间的结构电容、第二层原边绕组与副边绕组之间的结构电容、副边绕组与第一屏蔽层之间的结构电容、副边绕组与第二屏蔽层之间的结构电容。
进一步地，所述步骤(3)中对于任一屏蔽结构设计方案，通过以下公式计算该设计方案下变压器的共模评估等效电容；
其中：Ck为变压器的共模评估等效电容，w为磁芯窗口宽度，wsh1为第一屏蔽层的宽度，wsh2为第二屏蔽层的宽度，h1为第一屏蔽层底部边缘到底部磁芯骨架的距离，h2为第二屏蔽层底部边缘到底部磁芯骨架的距离，NP为第一层原边绕组和第二层原边绕组的总匝数，NS为副边绕组的匝数，Nx为第一层原边绕组的匝数，Cps为第一层原边绕组与副边绕组之间的结构电容，Cqs第二层原边绕组与副边绕组之间的结构电容，Cpsh为第一层原边绕组与第一屏蔽层之间的结构电容，Cqsh为第二层原边绕组与第二屏蔽层之间的结构电容，Csp为副边绕组与第一层原边绕组之间的结构电容，Csq为副边绕组与第二层原边绕组之间的结构电容，NQ0和ND0均为常数。
所述常数NQ0和ND0通过以下关系式计算确定：
其中：UQ0为原边绕组同名端的电势，UD0为副边绕组同名端的电势，vP为原边绕组两端电压的瞬时值，vS为副边绕组两端电压的瞬时值，t为时间。
进一步地，所述第一屏蔽层和第二屏蔽层均采用背胶铜箔，铜箔宽度视磁芯窗口宽度而定。
与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：
1.本发明交错绕法变压器装置简单可行，成本低。屏蔽层材料为0.05mm铜箔，成本低，且易于购买，设计出来后的变压器只是在结构上增加了屏蔽铜箔层，装置相比滤波器的设计更简单。与传统绕法变压器屏蔽层相比，本发明方法仅仅依靠改变第一层、第二层铜箔屏蔽层的宽度就实现了对共模噪声的抑制，不会额外增加产品成本。
2.本发明减少了交错绕法变压器装置的重量和体积。屏蔽层本身较轻，且厚度较薄，不会增加变压器或整个电源装置的重量或体积；通过设计变压器中合适的双铜箔屏蔽层在一定程度上抑制了共模噪声，减轻了共模滤波器的设计负担，可以适当减小滤波器的重量和体积，从而减少整个装置的重量和体积。
3.本发明针对共模噪声的抑制效果十分显著。使用本发明方法设计出来的交错绕法变压器双铜箔屏蔽层对反激电路负载侧的共模噪声进行抑制，与采用传统屏蔽层的共模噪声抑制效果相比明显更低。
附图说明
图1为带有交错绕法变压器的反激式开关电源的共模电流传播路径示意图。
图2为交错绕法变压器的内部结构示意图。
图3为原副边绕组与双铜箔屏蔽层之间的结构电容分布示意图。
图4(a)为关于共模评估等效电容Ck对应于屏蔽层N5为10mm宽，屏蔽层N3由8mm宽增至13mm宽情况下的特征曲线示意图。
图4(b)为关于共模评估等效电容Ck对应于屏蔽层N5为11mm宽，屏蔽层N3由8mm宽增至13mm宽情况下的特征曲线示意图。
图4(c)为关于共模评估等效电容Ck对应于屏蔽层N5为12mm宽，屏蔽层N3由8mm宽增至13mm宽情况下的特征曲线示意图。
图4(d)为关于共模评估等效电容Ck对应于屏蔽层N5为13mm宽，屏蔽层N3由8mm宽增至13mm宽情况下的特征曲线示意图。
图5(a)为无屏蔽层情况下的交错绕法变压器的反激变换器的共模噪声实际测量结果示意图。
图5(b)为屏蔽层N3为13mm，屏蔽层N5为13mm情况下带交错绕法变压器的反激变换器的共模噪声实际测量结果示意图。
图5(c)为屏蔽层N3为12mm，屏蔽层N5为12mm情况下带交错绕法变压器的反激变换器的共模噪声实际测量结果示意图。
图5(d)为屏蔽层N3为11mm，屏蔽层N5为11mm情况下带交错绕法变压器的反激变换器的共模噪声实际测量结果示意图。
图5(e)为屏蔽层N3为10mm，屏蔽层N5为10mm情况下带交错绕法变压器的反激变换器的共模噪声实际测量结果。
图5(f)为屏蔽层N3为10mm，屏蔽层N5为13mm情况下带交错绕法变压器的反激变换器的共模噪声实际测量结果。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明反激电源交错绕组变压器屏蔽结构的设计方法，通过有限元分析软件仿真出双铜箔屏蔽层的不同宽度下原-副-原绕组之间的结构电容和原副边绕组与屏蔽层之间的结构电容，再利用共模电流评估公式计算出共模电流最小时屏蔽层宽度，具体包括如下步骤：
(1)测量估算交错绕法变压器的绕组直径、双铜箔屏蔽层厚度、绕组间距等结构尺寸。
交错变压器绕法绕组与屏蔽层之间的结构电容与绕组结构和屏蔽层结构有关，因此需要固定交错绕法变压器各结构参数；根据电源装置的需求设计好变压器的磁芯、气隙、绕制方式、绕组匝数和线径后，按照绕组线径、绝缘胶布厚度、屏蔽层的厚度估算出绕组的宽度及绕组之间的间距。为便于控制绕组宽度和位置一致，将变压器绕组均进行紧密绕制，绕线起始点距变压器窗口底端的竖直距离均相等(或直接将绕组从变压器窗口底端开始绕制)。
(2)屏蔽层厚度为0.05mm，屏蔽层均设置在磁心窗口中央位置，利用有限元分析软件仿真出在不同屏蔽层宽度的情况下，交错绕法变压器原副边绕组之间的结构电容及原副边绕组与屏蔽铜箔层之间的结构电容，如图3所示。
变压器绕组间及绕组与屏蔽层间结构电容与绕组结构和屏蔽层结构有关，即：
其中：icm是交错绕法变压器中流过的共模电流。因此设定好交错绕法变压器的基本参数后，结构电容仅与屏蔽层的宽度wsh1、wsh2有关，通过有限元分析软件仿真出双铜箔屏蔽层不同宽度下的结构电容，可用来评估在不同铜箔屏蔽层宽度下共模电流的抑制情况。
(3)计算不同双铜箔屏蔽层宽度下变压器中的共模评估等效电容Ck，并绘制出共模评估等效电容Ck关于双铜箔屏蔽层宽度变化的特征曲线。
将步骤(2)中所有可操作的双铜箔屏蔽层宽度下对应的仿真结构电容带入上述计算公式，可以得到所有可操作双铜箔屏蔽层宽度下变压器的共模评估等效电容。
(4)根据绘制出的特征曲线求得共模评估等效电容最小时的屏蔽层宽度，即为抑制变压器共模电流的最佳屏蔽层宽度。
下面将结合反激式开关电源的变压器屏蔽层设计实例，对本发明具体实施方式做进一步详细描述。
本实施方式中采用的变压器结构如图2所示，原边绕组有为N2和N6，副边绕组为N4，其中原边又分为N21和N22两层，N3和N5分别为双层铜箔屏蔽层，N7为辅助绕组；各原副边绕组的物理参数及各屏蔽层物理参数如表1所示：
表1
| 参数 | 值 | 参数 | 值 |
| N21,N22 | 12匝 | N4 | 9匝 |
| N6 | 10匝 | N7 | 5匝 |
| w | 13mm | w<sub>sh1</sub>,w<sub>sh2</sub> | 4～13mm |
变压器内部原-副-原绕组与双层铜箔屏蔽的结构电容可以通过有限元分析软件仿真得到，将所有方案通过仿真计算得到的结构电容代入Ck的计算公式，即可得到各自的共模评估等效电容Ck，再通过对比所有方案的共模评估等效电容Ck，即可得到双铜箔屏蔽层交错绕法变压器的最优设计方案，如图4(a)～图4(d)所示。
仿真中，wsh1和wsh2的值分别选定为10mm和13mm时，共模评估等效电容Ck为最小值，共模评估等效电容Ck的计算结果如图4(a)～图4(d)所示，从图中不难看出，wsh1和wsh2的值分别选定为10mm和13mm时，共模评估等效电容约为8.2pF左右，则最优双铜箔屏蔽层宽度设计为10mm和13mm。各屏蔽层宽度下实测的共模噪声如图5(a)～图5(f)所示，通过对比反激开关电源负载侧共模噪声的测试结果可以验证，使用本实施方式得到的双铜箔屏蔽层的配置方法对共模噪声的抑制效果最佳。
上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种反激电源交错绕组变压器的屏蔽结构设计方法，包括如下步骤：
(1)通过测量获取变压器的结构参数及电气参数，并初始化设定变压器屏蔽层的位置在磁芯窗口正中处；
(2)利用有限元分析软件仿真出在各屏蔽结构设计方案下变压器内部原副边绕组与屏蔽层之间的结构电容数据；
(3)根据上述仿真得到的结构电容数据，计算出在各屏蔽结构设计方案下变压器的共模评估等效电容；
(4)取对应共模评估等效电容最小的一组屏蔽结构设计方案，并依此对变压器屏蔽层结构进行设计。
2.根据权利要求1所述的屏蔽结构设计方法，其特征在于：在对变压器屏蔽层设计之前，设定屏蔽层的长度为其圆周长，屏蔽层的厚度则根据其实际所选用的材料厚度而定，故这两个参数均事先选定为常数。
3.根据权利要求1所述的屏蔽结构设计方法，其特征在于：所述变压器从磁芯径向依次由第一层原边绕组、第一屏蔽层、副边绕组、第二屏蔽层、第二层原边绕组交错绕制。
4.根据权利要求3所述的屏蔽结构设计方法，其特征在于：每组屏蔽结构设计方案即包含了第一屏蔽层和第二屏蔽层各自的宽度。
5.根据权利要求3所述的屏蔽结构设计方法，其特征在于：所述变压器内部原副边绕组与屏蔽层之间的结构电容数据包括：第一层原边绕组与第一屏蔽层之间的结构电容、第一层原边绕组与副边绕组之间的结构电容、第二层原边绕组与第二屏蔽层之间的结构电容、第二层原边绕组与副边绕组之间的结构电容、副边绕组与第一屏蔽层之间的结构电容、副边绕组与第二屏蔽层之间的结构电容。
6.根据权利要求3所述的屏蔽结构设计方法，其特征在于：所述步骤(3)中对于任一屏蔽结构设计方案，通过以下公式计算该设计方案下变压器的共模评估等效电容；
其中：Ck为变压器的共模评估等效电容，w为磁芯窗口宽度，wsh1为第一屏蔽层的宽度，wsh2为第二屏蔽层的宽度，h1为第一屏蔽层底部边缘到底部磁芯骨架的距离，h2为第二屏蔽层底部边缘到底部磁芯骨架的距离，NP为第一层原边绕组和第二层原边绕组的总匝数，NS为副边绕组的匝数，Nx为第一层原边绕组的匝数，Cps为第一层原边绕组与副边绕组之间的结构电容，Cqs第二层原边绕组与副边绕组之间的结构电容，Cpsh为第一层原边绕组与第一屏蔽层之间的结构电容，Cqsh为第二层原边绕组与第二屏蔽层之间的结构电容，Csp为副边绕组与第一层原边绕组之间的结构电容，Csq为副边绕组与第二层原边绕组之间的结构电容，NQ0和ND0均为常数。
7.根据权利要求6所述的屏蔽结构设计方法，其特征在于：所述常数NQ0和ND0通过以下关系式计算确定：
其中：UQ0为原边绕组同名端的电势，UD0为副边绕组同名端的电势，vP为原边绕组两端电压的瞬时值，vS为副边绕组两端电压的瞬时值，t为时间。
8.根据权利要求3所述的屏蔽结构设计方法，其特征在于：所述第一屏蔽层和第二屏蔽层均采用背胶铜箔，铜箔宽度视磁芯窗口宽度而定。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20191105 |
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