非常热的平面电感怎么办?

电器工程 电源 变压器 直流-直流转换器
2022-01-15 08:34:17

我在做什么:

我正在设计一个 DCDC 转换器,以从 18v - 36v 的输入电源产生 ±24v。为此,我使用 TI TPS54160,并按照文档创建具有宽输入电压的分离式导轨电源

TPS54160

为了节省空间,我设计了一个平面变压器,使用分体式变压器铁芯。我在变压器的每一侧放了 12 匝,根据磁芯的数据表,这应该是 244uH(12x12x1700nH)。

分体平面变压器铁芯 分体平面变压器铁芯

添加:

我一直在使用TI 提供的基于 Excel 的计算器来计算正确的组件值。该计算器专门用于使用此 IC 设计此电路拓扑。

问题:

问题是在 500kHz 开关频率下,变压器变得非常热。如果我降低开关频率,我可以让它变冷一点,但如果我降低太多,电路不再有足够的驱动电流。

我的问题:

我应该在版本 2 中尝试什么?物理上更大的变压器铁芯会有帮助吗?我应该尝试减少变压器的匝数吗?在 500kHz 时,我计算出我只需要 65uH,所以我当然可以降到 8 圈。

3个回答

问题是使用的磁芯没有间隙,所以电感饱和。具有反激式操作的拓扑在开关打开时将能量存储在核心中,使核心向上移动 BH 曲线。但是,对于不连续导通 (DCM) 的简单示例,当开关关闭且电流降至零时,B 不会回到零,而是回到升高的剩余点。因此,可用的\$\Delta B\$ 非常小,核心进入饱和状态。连续传导(CCM)在这方面更差。

添加间隙会使残差点更接近零,从而给出可用的\$\Delta B\$。在有间隙的情况下,电感将由间隙决定,与其说是磁芯\$\mu\$。考虑有间隙磁芯电感的电感;铁芯横截面 \$A_c\$ 和间隙长度 \$l_g\$ 和绕组匝数 \$n\$:

\$L_g\$ = \$\frac{n^2 A_c \mu _o}{l_g}\$

还将最大绕组电流 (\$I_{\text{max}}\$) 与间隙磁通 (\$B_{\text{max}}\$) 相关联:

\$n I_{\text{max}}\$ = \$\frac{B_{\max } l_g}{\mu _o}\$

通过从 \$L_g\$、\$B_{\text{max}}\$、\$A_c\$ 和 \$I_{\text{max}}\$ 的值开始,可以获得知道电感器的 \$l_g\$ 和 \$n\$ 需要是什么。设\$L_g\$=100\$\mu H\$, \$B_{\text{max}}\$=0.2T, \$A_c\$=20\$mm^2\$

\$l_g\$ = \$\frac{I_{\max }^2 L_g \mu _o}{A_c B_{\max }^2}\$ = \$\frac{1 Amp^2 100\mu H \亩_o}{20 mm^2 0.2T^2}\$ ~ \$0.16 mm\$

\$n\$ = \$\frac{i_{\max } L_g}{A_c B_{\max }}\$ = \$\frac{1Amp 100\mu H}{20 mm^2 0.2T}\$ = \$25 转\$

这种分析非常简化,遗漏了很多内容,但给出了预期的想法。设计这些类型的电感器非常复杂。您可以参考“电感器和反激式变压器设计”作为参考。

我认为您使用的是 N87 材料,所以我将快速计算一下材料。在 500 kHz 时,电感电流可以在 1 微秒内上升到某个值(50:50 占空比)。你说它的电感为 244 uH,所以在施加 18V 电压的情况下,我预计电流会上升到:-

18V x 1 us / 244 uH = 74mA - 这是磁化电流(它存储在下一个半周期释放的能量)但听起来非常非常低。存储在主绕组中的能量必须转移到输出端,这个能量是 0.66 uJ(听起来仍然很低)。因此,可以传输到负载的功率为 0.66 uJ x 500 kHz = 0.33 瓦。

我认为您需要查看您链接的数据表中的其他示例。我看到一个可以在高达 30V 的电压下工作,并使用 150 uH 的电感器在 300 kHz 下工作,所以我认为你的主要损耗是绕组中的铜损 - 你是如何制造这些的?

我还要指出,N87 材料在 500 kHz 时也会给您带来大约 5% 到 10% 的损耗,因此它可能不是最佳选择。

除此之外,确保当正极施加到初级时输出绕组产生负电压。换句话说,绕组的相位是这种类型的反激电路的基础。

我对这种不连续模式评估的推理是,尽管您可能期望在连续传导模式下运行,但通过在 DCM 中查看它并尝试确定 DCM 是否处于正确的范围内,您可以获得一个合理的想法。

PCB 上核心中心腿的孔在图中看起来是电镀的。它是镀在实际的PCB上吗?如果是,这就解释了为什么你可能有大电流。你有一个短路的转弯,通过核心耦合。