變壓器的繞線工藝圖文詳解

變壓器的繞線工藝圖文詳解

21IC 發表於 2021-01-03 17:32:00

一、傳統變壓器篇

單路輸出 Flyback 及常見的變壓器繞組結構

紅色：初級繞組

紫色：輔助繞組

黃色：次級繞組

特點：輔助繞組位夾在初級、次級中間

缺點：

1， 臨近效應很強，繞組交流損耗大

2， 初、次級間的漏感較大，吸收回路損耗較大，效率較低

優點：

1，工藝結構十分簡單，易於製造

2，初級外層接電位靜止的V+端，易於實現無Y

改進的 Flyback 變壓器繞組結構（簡易型）

紅色：初級繞組

紫色：輔助繞組

黃色：次級繞組

特點：輔助繞組位於線包最裡層，初級在中間、次級在最外邊

缺點：臨近效應很強，繞組交流損耗大

優點：

1，工藝結構十分簡單，易於製造

2，初級外層接電位靜止的V+端，易於實現無Y

3， 初次級間漏感較小，吸收回路損耗較小，效率較高

改進的 Flyback 變壓器繞組結構（三明治型）

紅色：初級繞組

紫色：輔助繞組

黃色：次級繞組

特點：輔助繞組位於線包最裡層，然後分別是初級的一半，次級全部，初級的另一半；

缺點：

1， 次級臨近效應很強，繞組交流損耗大

2，初級的一半繞組沒有任何的靜電位層供屏蔽用，無法實現無Y

優點：

1， 工藝結構複雜，不利於製造;

2， 初次級間漏感較小，吸收回路損耗較小，效率較高

3， 初級臨近效應較小，繞組交流損耗小

Flyback 多路輸出

L3 與L4 之間的漏感，引起交叉調整。

實用的多路輸出型

高壓輸出繞組疊在低壓繞組之上，雙線並繞降低交叉調整

功率傳輸變壓器（含正激、推挽、半橋、全橋）

合理的繞組結構， 層厚小於2Δ

紅色：初級繞組

紫色：輔助繞組

黃色：次級繞組

實際變壓器的模型

虛線內為理想變壓器

脈衝變壓器信號傳輸失真

由於原邊及幅邊漏感，電阻分量的存在，脈衝在經過變壓器後，產生延遲、斜率變緩、振鈴、頂降

脈衝電流的分解

脈衝電流由基波電流及各高次諧波電流組成

佔空比越小，基波分量越小，高次諧波分量越大，因此線徑的選擇（穿透深度*2）不能只考慮基波電流的頻率

輸出功率與頻率的關係（EE25 單端變換器為例）

理論上，對於指定的磁芯，在相同的磁密下，輸出功率與頻率呈正比，但實際上並非如此，

原因有：

1， 頻率升高，穿透深度下降，需要用較小的線徑，窗口利用率下降，且繞組層厚與穿透深度的比值增大，交流電阻大增，有效輸出功率下降；

2， 頻率增加，絕緣材料的耐壓下降，為保證同樣的絕緣強度，需要加大絕緣層厚度，進一步降低窗口利用率；

3， 頻率到達某一程度後，磁芯損耗大增，需要適當降底磁通密度（具體請參考磁損表）

LLC 變壓器

LLC 電路結構

LLC 集成磁件

漏感由原邊與副邊之間的檔牆寬度、磁芯的磁導率、以及中柱長度與窗口高度的比值決定

紅色：初級繞組

黃色：次級繞組

小漏感的 LLC 集成磁件

個別應用中，需要用到較小的漏感，擋牆的寬度較小，安全間距可利用下面的結構來滿足。

紅色：初級繞組

黃色：次級繞組

其它減小漏感的方法：

1， 磁芯的磁導率，換用高導的磁芯，漏感會減小；

2， 減小中柱長度與窗口高度（指上圖中窗口的水平方向）的比值，漏感會減小

3， 採用逆磁性材料代替順磁性材料製作檔

增大漏感的方法：

1， 換用低導的磁芯

2， 增大中柱長度與窗口高度的比值

3， 用弱鐵磁性的材料製作檔牆， 如混有磁粉的注塑墊片，可以大幅度降低檔牆的佔窗面積，增加變壓器出力，具體實施需要考慮經濟性；

大功率的 LLC 變壓器

LLC 磁集成變壓器的問題：由於初次級繞組產生的磁場是獨立分布的，各自的臨近效應很強，不利於大功率應用場合，而且氣隙處的EMI 很不好處理，因此需要將漏感獨立出去。

中功率的 LLC 集中參數變壓器，按正弦變壓器設計，可採用簡單繞制工藝

紅色：初級繞組

黃色：次級繞組

大功率的 LLC 集中參數變壓器，按正弦變壓器設計，需要採用夾層工藝，中各初次級繞組磁場的磁場，降低臨近效應，保證最小的交流電阻

紅色：初級繞組

黃色：次級繞組

二、高功率密度變壓器

為了直觀，我們將一個EE85 磁芯，在2000GS 磁密，25KHz 頻率下，不同電流密度時的效率、輸出功率，銅損鐵損比繪在同一表格內（注意：因為寬度不夠，電流密度在10 以上比例不同。）

可以發現，電流密度在3-6A/mm2 範圍內，變壓器效率達到98.5%以上，而要滿足98%的效率，電流密度的範圍達到2-10A/mm2。

由於鐵損基本固定，而銅損與輸出功率的平方成正比，因此高功率密度變壓器的實現，主要是解決繞組的散熱問題，但應用中的方向卻是相反的，我們所見到的高功率密度變壓器，都是將繞組的熱量「悶」在磁件的內部，繞組的熱阻比較大，不利於提高功率密度，如PQ，PM，以及平面變壓器。

高功率密度變壓器的解決措施

思路：強制對繞組進行冷卻

1、液冷法，低壓繞組利用中空的管狀銅材料製作，用微形液壓泵為低壓繞組提供冷卻循環液，可用變壓器油。高壓繞組的熱能，通過傳導散發到低壓繞組，由冷卻液一起帶走。

2、環形銅帶繞組，低壓繞組製成平面的環狀，一個環為一匝，環的厚度為2~3 倍穿透深度，初級繞組線徑為1~1.5 倍穿透深度，這樣的組合交流電阻很小。圖例中的 6 個環，，通過不同的鉚接，可組合為6 匝，3 匝，2 匝及1 匝四種連接方式。環的倒角部份，通過雲母片與散熱器（可加風扇）連接散熱，解決繞組的發熱問題

3， 環形變壓器

環形變壓器具有誇張的繞組散熱面積，是一種很好的散熱結構。但由於磁芯的最佳工作溫度約90 度，要求繞組表面溫度要適當小於90 度，否則磁芯溫度會過高。加上環形高導磁件容易飽合，可用的磁密較小，因此功率密度的提高受到限制。

4，增加變壓器的整體表面積如平面變壓器，通過將變壓器壓扁，提高表面積與體積的比值，降低熱阻，獲得較高的功率密度

5，王氏多磁路變壓器

將多個小型磁件組合，通過接近 2 倍的繞組數量，大幅度提高變壓器繞組自身的散熱能力，達到高功率密度

為簡單起見，僅以兩付磁芯拼合為例，實際應用中為更多的磁芯拼合為多磁路變壓器。

1， 繞組數量增加為由N 增加為2N-1（N 為組合磁芯的數量），繞組總（散熱）表面積增大；

2，每個繞組的厚度減半，在同等溫升及冷卻條件下，允許1.414 倍的電流密度

3，可以方便實現1/2， 1/3，1/4， 1/5 甚至更小的分數匝，利於讓磁芯工作在最佳的磁通密度下（通常情況下，我們常常會受此困擾，如有時用1600GS 需要2.3 匝，一般只好取2 匝，然後磁密提高到1840GS， 或是降低一些佔空比，很是麻煩）

4， 因為精確的分數匝，利於多組輸出的精確電壓分布（利用同步整流及電子變壓器定變比變換技術）

優化的多磁路變壓器及磁芯

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