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un metodo di progettazione del trasformatore di risonanza magnetica integrato utilizzato in Zero-corrente militare dc dc con

un metodo di progettazione del trasformatore di risonanza magnetica integrato utilizzato in Zero-corrente convertitore cc dc militare


Estratto: Il il documento analizza brevemente il meccanismo di funzionamento del circuito di risonanza nella commutazione morbida a corrente zero dc / DC convertitore. utilizzando il principio di integrazione magnetica, l'induttanza di dispersione si forma aumentando uno shunt magnetico nel trasformatore standard e il trasformatore di potenza viene trasformato in stoccaggio -energia viene introdotto il metodo di progettazione del trasformatore di risonanza del tipo Il prodotto reale del modello MV48 B5 M200B Viene presentato un convertitore cc cc militare, ad esempio, parametri di progetto specifici di risonanza trans-formatore sono forniti. attraverso analisi e test teorici viene dimostrata la fattibilità del metodo di progettazione

chiave Parole: commutazione morbida, trasformatore, induttanza risonante, integrazione magnetica


1. Introduzione

la miniaturizzazione ad alta frequenza è l'inevitabile tendenza allo sviluppo dell'alimentazione a commutazione Commutazione graduale La tecnologia militare dei convertitori cc cc è una delle principali direzioni di ricerca della moderna potenza elettronica Commutazione graduale la tecnologia rende il transistor di commutazione in corrente zero (ZCS) o tensione zero (ZVS) stato di funzionamento riducendo così la perdita di commutazione e migliorando la frequenza di lavoro dell'alimentazione di commutazione e l'efficienza dei dispositivi di commutazione.

Il idea di base di corrente zero commutazione graduale il circuito inizia da la conduzione di commutazione, la corrente nel dispositivo di commutazione sale da zero secondo la legge sinusoidale, quando la corrente scende a zero, spegnere il tubo di commutazione, evitando così l'incrocio di corrente e tensione in fase di spegnimento, riducendo la perdita di spegnimento, allo stesso tempo, perché la corrente sale da zero, anche la perdita di accensione si riduce unità risonante del quasi-risonante il circuito è generalmente nel secondario, quale è composto da induttanza risonante e condensatore risonante. Il l'induttanza di dispersione del trasformatore diventa una parte dell'induttanza di risonanza e partecipa alla risonanza del circuito. Alcuni i ricercatori ritengono che l'induttanza di dispersione del trasformatore e del condensatore risonante possa essere utilizzata per formare un'unità risonante, quindi l'induttanza risonante può essere omessa. ma è difficile garantire l'induttanza di dispersione del trasformatore controllando la consistenza del processo di produzione, quindi this non è adatto per la progettazione di serializzazione e la produzione di massa di convertitori dc dc militari.

Questo paper introduce un metodo di progettazione per aggiungere uno shunt magnetico a un trasformatore standard per formare un'induttanza di dispersione e cambiare il trasformatore di potenza in un trasformatore risonante con dispersione induttanza.

Il Il metodo di progettazione può essere applicato a diverse serie di tensioni di ingresso di tensione, diverse tensioni di uscita, circuiti di convertitori dc dc militari in uscita di potenza, ha una forte ingegneria applicabilità.


analisi di principio di 2 ZCS Quasi-risonante circuito

2.1 principi di base di funzionamento

Il la modalità di commutazione graduale può ridurre significativamente la perdita di commutazione e l'oscillazione causata dal processo di commutazione e può aumentare notevolmente la frequenza di commutazione, che crea le condizioni per la miniaturizzazione e modularizzazione del converter.The l'architettura di base dell'alimentazione del convertitore cc cc militare è mostrata nella figura 1. Il circuito usa common-collector forward-active morsetto ZCS / ZVS topologia. Il interruttore principale Q1 di VMOS è ZCS interruttore. Il interruttore ausiliario Q2 di VMO è ZVS interruttore.Perché la parte principale del circuito è ZCS quasi risonante circuito, e le parti di controllo e morsetto hanno poca influenza sulla progettazione del trasformatore risonante, quindi per facilitare l'analisi, this la carta ignora il controllo e l'interruttore di bloccaggio Q2 principio di funzionamento, studiare solo l'interruttore principale Q1 e ZCS quasi risonante circuito.


Fig. 1 struttura principale del circuito

Fig. 1 è un ZCS quasi risonante circuito composto da un interruttore di alimentazione Q1, un trasformatore T1, un diodo raddrizzatore D1, un diodo a ruota libera D2 e ​​un induttore risonante L2 e un condensatore C1.


Fig. 2 principio e forma d'onda di lavoro di ZCS circuito risonante


in FIG. 2, L2 è un'induttanza risonante, quale viene dapprima impostato come induttanza di dispersione equivalente secondaria di un trasformatore di potenza, il diodo D2 può garantire che il condensatore C1 non viene addebitato al contrario e da l'induttanza del filtro di uscita I3 è molto più grande di di l'induttanza di dispersione L2 del trasformatore, il carico può essere equivalente a una sorgente di corrente Io, e l'induttanza di dispersione del lato secondario è:

Da il modello equivalente, le equazioni del circuito possono essere elencate:

A risolvere l'equazione differenziale precedente, sostituire la condizione di stato zero I2 (t = 0) = Io, Vc (t = 0) = 0 (si ottiene lo stato all'inizio di un periodo di commutazione:

Dove ω è la frequenza angolare di risonanza, z è l'impedenza caratteristica del circuito, v è la tensione dell'avvolgimento secondario del trasformatore,

A raggiungere lo spegnimento a corrente zero del tubo interruttore, I2 deve essere ridotto a 0 prima che il tubo dell'interruttore venga spento. come si può vedere da equazione (6), per poter tornare a zero a qualsiasi carico, il richiede:

equazione (7) è la condizione di risonanza di ZCS quasi risonante circuito, il suo significato fisico è che la corrente di picco dell'unità risonante non può essere inferiore a la corrente di carico, vedere la figura 3.



figura 3 corrente di risonanza e corrente di uscita


in teoria, maggiore è la corrente di picco del circuito dell'unità di risonanza, più facile è soddisfare la condizione di risonanza in varie condizioni, ma la corrente di picco che scorre attraverso VMOS dispositivi di commutazione, diodi raddrizzatori e condensatori risonanti aumenteranno lo stress e la perdita di corrente di questi dispositivi. è uno stato relativamente ideale che la corrente di risonanza di picco sia uguale alla corrente di carico, che può garantire che Q1 può essere spento a corrente zero in qualsiasi condizione di carico e il consumo di corrente continua è ridotto al minimo. nella progettazione ingegneristica, prendendo in tenere conto della temperatura, della discrezione dei componenti e di altre condizioni, del rapporto Ito IPK è 0,75.



2.2 calcolo dell'induttanza di risonanza

Il unità risonante mostrata in FIG. 2, la frequenza caratteristica della sua risonanza:

Perché la tensione di ingresso, la resistenza di uscita e altri parametri sono inclusi nell'equazione Z, l'equazione può calcolare il valore di induttanza risonante del circuito risonante di ZCS quasi risonante convertitore dc dc militare con diversa tensione di trasmissione e potenza.


Il principio di progettazione del trasformatore con 3 densità di flusso magnetico

3.1 breve introduzione della tecnologia di integrazione magnetica

Il la tecnologia di integrazione magnetica è una nuova tecnologia che integra gli elementi magnetici in una struttura di nucleo utilizzando il rapporto tra il flusso magnetico e la corrente di avvolgimento di ciascun elemento magnetico nel convertitore di potenza, in modo da ridurre il volume dell'elemento magnetico, ridurre la perdita del nucleo e dell'avvolgimento, e migliorare la densità di potenza del convertitore di potenza scopo di cambiare la struttura del ramo del nucleo magnetico è come per ottenere più circuiti magnetici ramificati, quali può essere ottenuto con tre metodi: aggiungendo altri magneti nel nucleo magnetico per ottenere il multi-ramo circuito magnetico struttura; combinando il nucleo magnetico generale esistente per ottenere il multi-ramo magnetico circuito; selezionando la forma del nucleo appositamente progettata per ottenere il multi-ramo circuito magnetico direttamente.

3.2 progettazione della forma e del circuito magnetico del trasformatore di raccolta magnetica

in questo carta, i parametri del circuito risonante dovrebbero essere progettato in modo ragionevole, l'induttanza risonante e il design del condensatore risonante dovrebbero non solo soddisfa la condizione di corrente zero, ma considera anche la tensione di corrente di altri dispositivi e la perdita dell'intero circuito. per controllare accuratamente la dimensione dell'induttanza di risonanza, l'induttanza di risonanza e il trasformatore di potenza sono integrati magneticamente in un nucleo appositamente progettato per farlo diventare il trasformatore di dispersione induttanza che la capacità distribuita tra il primario e il secondario del trasformatore in ZCS Il circuito di commutazione graduale è equivalente alla capacità tra i poli ds di VMOS tubo interruttore, quale porta a un tempo di spegnimento più lungo di VMO e non è favorevole alla realizzazione di alta frequenza circuito, la distanza tra l'avvolgimento primario e secondario del nucleo u è relativamente lontana, la capacità distribuita è piccola ed è facile ottenere l'isolamento ad alta tensione e l'area della finestra del nucleo u è grande, quindi è facile aumentare magnetico shunt.Basato nell'analisi precedente, la struttura del nucleo magnetico del trasformatore magnetico integrato progettato in questo la carta è mostrata nella figura 4. Il l'idea progettuale è quella di aggiungere una colonna centrale rettangolare con un'area di sezione trasversale molto piccola al centro del nucleo del trasformatore a forma di U, in modo che un circuito magnetico di ramo venga aggiunto al trasformatore a forma di U e il rame sia rivestito sulla superficie del nucleo magnetico, in modo da ridurre il capacità distribuita tra il trasformatore primario e secondario e l'induttanza di dispersione causata da un altro flusso magnetico di dispersione oltre al circuito magnetico di diramazione, sebbene questo l'induttanza di dispersione esiste sempre e la sua proporzione è piccola.In per facilitare l'analisi, questo carta sarà identificato come un valore fisso relativamente piccolo, il suo ruolo attraverso i risultati del test del circuito, regolare l'induttanza di dispersione dello shunt magnetico della colonna centrale per correggere.



Fig. 4 diagramma della struttura del nucleo


Fig. 5 progettazione del circuito magnetico di dispersione

Fig. 5 è un diagramma schematico che mostra il cambiamento del circuito magnetico del nucleo magnetico a forma di U Quando non c'è circuito intermedio di shunt nel nucleo magnetico, il flusso magnetico generato dalla corrente di accesso della bobina primaria I1 sarà completamente accoppiato alla bobina secondaria e l'induttanza di dispersione LK1 del trasformatore è approssimativamente zero. Il lo schema del circuito magnetico è mostrato in FIG. 5 (a). Quando c'è un circuito di derivazione intermedio nel nucleo magnetico, FIG. 5 (B) Secondo alla definizione di induttanza di dispersione, il flusso magnetico prodotto dalla corrente i dell'avvolgimento primario è diviso in due parti, Φ 12 e Φ 13. Φ 13 passa attraverso il circuito magnetico della colonna centrale, ma non passa attraverso il secondario avvolgimento. secondo la definizione di induttanza di dispersione, il flusso magnetico prodotto da Φ 13 attraverso la colonna centrale è il flusso magnetico di dispersione del trasformatore. Il induttanza prodotta in questo parte dell'avvolgimento del flusso magnetico è l'induttanza di dispersione del trasformatore, che è equivalente all'induttanza di risonanza nel circuito secondario.

progetto di induttanza di dispersione di 3.3 trasformatore magnetico integrato

come si può vedere da nella sezione precedente, l'induttanza di dispersione del trasformatore può essere modificata cambiando la sezione trasversale della colonna centrale per soddisfare le condizioni di risonanza del circuito risonante, ma perché il nucleo magnetico viene sinterizzato e modellato una volta, l'induttanza teorica è sempre diversa da il valore effettivo, d'altra parte, l'induttanza di risonanza del convertitore cc cc militare con la stessa potenza di uscita e diversa tensione di uscita sono anche diverse, quindi ovviamente non è economico progettare un nucleo del trasformatore per ciascuna tensione di uscita. per risolvere questo problema, il traferro 8 è progettato nel ramo magnetico centrale, in modo che il traferro δ può essere regolato per soddisfare i requisiti di diversi induttori risonanti in applicazioni di ingegneria. Quando c'è un traferro nello shunt magnetico centrale, come mostrato in FIG. 6, da la permeabilità dell'aria è di gran lunga inferiore a la permeabilità del nucleo magnetico, la permeabilità effettiva nello shunt magnetico centrale diminuirà, e il 13 medio diminuirà, e quindi anche l'induttanza corrispondente diminuirà; inoltre, maggiore è la lunghezza del traferro 8, minore è il flusso magnetico che passa attraverso lo shunt magnetico centrale e minore è l'induttanza di dispersione equivalente rispetto al trasformatore, in modo che l'induttanza di dispersione del trasformatore, cioè l'induttanza di risonanza in il circuito risonante, può essere accuratamente controllato controllando la lunghezza del traferro δ.


Fig. 6 diagramma schematico del circuito magnetico

per semplificare l'analisi, il trasformatore risonante del circuito integrato può essere considerato di tipo C nucleo con la stessa area della sezione trasversale della colonna magnetica centrale incorporata nel magnete laterale secondario (Fig. 7), e l'induttanza generata dal nucleo nell'avvolgimento secondario è l'induttanza di dispersione del trasformatore.



Fig. 7 diagramma schematico dell'induttanza equivalente


Dove: RC - Magnetoresistenza del circuito centrale, r § Magnetoresistenza del circuito del traferro


in generale, RC = R, la formula per il calcolo dell'induttanza può essere approssimativamente la seguente:


3.4 progettazione dell'avvolgimento del trasformatore risonante magneticamente integrato

ZCS il circuito adotta PFM controllo, il tempo di conduzione di VMO interruttore Q1 è fisso, la frequenza è variabile, il metodo di progettazione dell'avvolgimento è diverso da PWM circuito, per tensione di ingresso fissa e condizioni di carico, esiste una specifica frequenza di lavoro, secondo la legge dell'induzione elettromagnetica, la tensione del primario avvolgimento:

integrare entrambi i lati della formula (17) a ottenere:


Se il rapporto tra il primo e il secondo giro è N, quindi:


Dove K1 è il rapporto tra la frequenza di commutazione massima e la frequenza di risonanza:



avvolgimento secondario giri:


Il potenza VMOS tempo di conduzione avanti ZCS Il circuito è una funzione della tensione di ingresso e del carico e la sua frequenza di risonanza f è bassa all'estremità inferiore della tensione di ingresso e la frequenza di risonanza all'estremità inferiore è 0,75 del progetto frequenza.



Il la formula sopra non considera l'influenza dei parametri come la resistenza della bobina del trasformatore, la resistenza di accensione di VMOS dispositivo e la giunzione di tensione del diodo raddrizzatore sul calcolo di Max, e la bobina calcolata gira dovrebbe essere corretto sperimentalmente.


4 esempio di progetto di trasformatore risonante

prendendo il convertitore cc cc militare con 48V tensione di ingresso, 5V tensione di uscita e 200W potenza di uscita come esempio, il metodo di progettazione del trasformatore sopra menzionato è descritto in dettaglio.

ingresso tensione: 36V ~ 75V

uscita Tensione: 5V

uscita corrente: 40A

frequenza massima di funzionamento: 800K

on time: 500ns

4.1 Potenza, dimensioni e design del trasformatore

Il è confezionato in un mezzo mattone standard struttura. basato sull'analisi di cui sopra e combinato con le caratteristiche di questo progetto, le dimensioni di progetto del nucleo magnetico mostrato in figura 4 sono riportate nella tabella 1.


Il il metodo di progettazione del volume di potenza del trasformatore è il metodo di progettazione del trasformatore più comunemente usato, che calcola il parametro del volume di base a × a (il prodotto dell'area centrale della finestra a e dell'area centrale effettiva A) secondo il valore volt-ampere del trasformatore.

come si può vedere da FIG. 4 e tabella 1:


(Area occupata da una × d dispersione flusso)


Il il metodo del prodotto area viene solitamente utilizzato per confermare se il nucleo soddisfa i requisiti di potenza di uscita e la formula approssimativa è:

Dove: Uscita P0 energia

△ b - - variazione della densità di flusso

TRASFORMATORE F frequenza

k - coefficiente della forma d'onda (forward converter, k = 0.014)

Il le caratteristiche principali del materiale sono riportate in figura 8 e figura 9. Da figura 8, possiamo vedere che il valore b di DM51W è 430 mt a 100 ℃, la frequenza di risonanza del convertitore è di 1 MHz, corrispondente al flusso densità-potenza curva di perdita di 1 MHz, il valore b è 80 mT, il consumo energetico del core è 800 mW / cm3, questo il consumo energetico è accettabile, quindi bm = 80 mT, perché il livello di potenza del circuito effettivo adotta un circuito a pinza attivo, il nucleo funziona in 1-3 quadranti.


Fig. 8 DM51W flusso magnetico densità-magnetico curva di intensità di campo


Fig. 9 DM51W flusso Densità-Potenza curva di perdita


secondo l'equazione (23), prendendo in conto il 120 % condizione di sovraccarico,

formula di confronto (22) con formula (25), a · a > AP, si può vedere che la dimensione del nucleo magnetico soddisfa i requisiti.


4.2 design dell'avvolgimento

secondo la formula (18), calcolare l'avvolgimento primario,

calcolare l'avvolgimento secondario secondo la formula (22),

Il la corrente di uscita del trasformatore è elevata e la frequenza di lavoro è elevata, è necessario considerare l'effetto pelle e l'effetto di prossimità del conduttore in conto, 0,2 mm x 13 nel secondario viene utilizzato l'intero foglio di rame, in modo che l'effetto pelle sia ridotto e l'effetto di prossimità sia eliminato e la perdita possa essere ridotta.


4.2 calcolo dell'induttanza di dispersione del trasformatore e della lunghezza del traferro della colonna centrale

Da equazione (8), l'impedenza caratteristica del circuito risonante

come si può vedere da formula (11) e la formula (12), che l'induttanza di risonanza e il valore della capacità di risonanza sono:

noto per espressione (16)


Il induttanza di dispersione L2 ottenuto dall'equazione (29) è l'induttanza di dispersione totale del trasformatore risonante e l'induttanza di dispersione intrinseca del trasformatore non può essere ignorata perché il valore di L2 è relativamente piccolo, sebbene misure come il potenziamento dell'accoppiamento vengono prese per controllare l'induttanza di dispersione causata dal flusso magnetico discreto, quindi la dimensione del traferro determinata dall'equazione (31) deve essere corretto mediante testing.

in sintesi, i parametri di progetto del trasformatore sono

Primario: d 0,05 mm x 96 fili leeds doppio avvolgimento 4 giri

Secondario: 0,2 mm × 13 fogli di rame avvolgimento 1 giro

colonna magnetica distanza: 0,55 mm

struttura centrale dimensione: mostrato nella tabella 1.

Il le foto fisiche del trasformatore sono mostrate in figura 10:


Fig. 10 fotografie di oggetti fisici interni dei prodotti


6 test di verifica

6.1 prova del trasformatore

Il trasformatore risonante circuito magnetico integrato con tensione di uscita di 5V e potenza di uscita di 200W è progettato secondo il metodo precedente. Il il test del circuito viene eseguito nel circuit. Il le forme d'onda misurate dei punti chiave sono mostrate in Fig. 11.




Fig. 11 forma d'onda misurata del circuito

11 (a) e 11 (B), minore è la corrente di carico, minore è la corrente di risonanza zero-crossing il tempo è, e più è facile soddisfare la condizione di risonanza. Il maggiore è la corrente di carico, maggiore è la corrente di risonanza zero-crossing il tempo è, e meno è facile soddisfare la risonanza condizione; quando la corrente di carico è costante, maggiore è la tensione di ingresso e minore è la corrente di risonanza zero-crossing il tempo è, rispetto a con figg. 11 (C) e 11 (d) .It può essere visto da le forme d'onda di cui sopra che in varie condizioni di carico, l'interruttore principale è in corrente zero modalità, quale verifica che l'idea di progettazione dell'induttanza di dispersione del trasformatore magnetico integrato sia corretta e che il metodo di progettazione dei parametri sia ragionevole.


Fig. 12 fotografie di prodotti fisici


6.2 applicazione di trasformatori

secondo il principio di integrazione magnetica di cui sopra, il trasformatore risonante progettato può essere applicato a una serie di prodotti, in cui la forma d'onda misurata di MV48B5M200Bmilitary Il convertitore cc cc è mostrato nella figura 12 e gli indicatori tecnici sono mostrati nella tabella 2:


7 conclusione

secondo il principio dell'integrazione magnetica, this il documento presenta un metodo di progettazione per integrare l'induttanza di risonanza di ZCS quasi risonante convertitore dc dc militare in il trasformatore di potenza. Il analisi teoriche e risultati della verifica sperimentale mostrano che l'induttanza risonante del trasformatore risonante progettato da this metodo può essere controllato accuratamente regolando il traferro dello shunt magnetico, che è adatto per la produzione di massa.

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