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un método de diseño de transformador de resonancia magnética integrada utilizado en Corriente cero militar dc dc con

un método de diseño de transformador de resonancia magnética integrada utilizado en Corriente cero convertidor dc dc militar


Resumen: El documento analiza brevemente el mecanismo de funcionamiento del circuito de resonancia en la conmutación suave de corriente cero dc / DC convertidor. Utilizando el principio de integración magnética, la inductancia de fuga se forma aumentando una derivación magnética en el transformador estándar, y el transformador de potencia se convierte en almacenamiento -energía Se introduce el método de diseño de transformador de resonancia tipo. El producto real del modelo MV48 B5 M200B El convertidor dc dc militar se presenta, por ejemplo, parámetros de diseño específicos de resonancia transformador se proporcionan. mediante análisis teóricos y pruebas, se demuestra la viabilidad del método de diseño

clave Palabras: conmutación suave, transformador, inductancia resonante, integración magnética


1. Introducción

La miniaturización de alta frecuencia es la tendencia inevitable del desarrollo de la fuente de alimentación conmutada. Conmutación suave La tecnología de convertidor de CC militar de CC es una de las principales direcciones de investigación de la electrónica moderna. Conmutación suave tecnología hace que el transistor de conmutación en corriente cero (ZCS) o voltaje cero (ZVS) estado de funcionamiento reduciendo así la pérdida de conmutación y mejorando la frecuencia de trabajo de la fuente de alimentación de conmutación y la eficiencia de los dispositivos de conmutación.

El idea básica de corriente cero conmutación suave el circuito comienza desde la conducción de conmutación, la corriente en el dispositivo de conmutación aumenta de cero según la ley sinusoidal, cuando la corriente cae a cero, apague el tubo de conmutación, evitando así el cruce de corriente y voltaje en el proceso de apagado, reduciendo la pérdida de apagado, al mismo tiempo, porque la corriente sube de cero, la pérdida de encendido también se reduce. unidad resonante del cuasi-resonante El circuito está generalmente en el secundario, que se compone de inductancia resonante y condensador resonante. El La inductancia de fuga del transformador pasa a formar parte de la inductancia resonante y participa en la resonancia del circuito. Los investigadores creen que la inductancia de fuga del transformador y el condensador resonante se puede utilizar para formar una unidad resonante, por lo que se puede omitir la inductancia resonante. pero es difícil garantizar la inductancia de fuga del transformador controlando la consistencia del proceso de fabricación, entonces esto El método no es adecuado para el diseño de serialización y la producción en masa de convertidores dc dc militares.

Este presenta un método de diseño para agregar una derivación magnética a un transformador estándar para formar una inductancia de fuga y cambiar el transformador de potencia en un transformador resonante con fuga inductancia.

El El método de diseño se puede aplicar a diferentes series de voltaje de entrada de voltaje, voltaje de salida diferente, circuito convertidor dc dc militar de salida de potencia, tiene una fuerte aplicabilidad de ingeniería.


análisis de principio de 2 ZCS Cuasi-Resonante circuito

2.1 principios básicos de funcionamiento

El El modo de conmutación suave puede reducir significativamente la pérdida de conmutación y la oscilación causada por el proceso de conmutación, y puede aumentar en gran medida la frecuencia de conmutación, que crea condiciones para la miniaturización y modularización del convertidor. La arquitectura de energía básica del convertidor dc dc militar se muestra en la figura 1. El usos del circuito colector común activo hacia adelante abrazadera ZCS / ZVS topología. El interruptor principal Q1 de VMOS es ZCS interruptor. El interruptor auxiliar Q2 de VMOs es ZVS interruptor. Porque la parte principal del circuito es ZCS cuasi-resonante circuito, y las partes de control y abrazadera tienen poca influencia en el diseño del transformador resonante, por lo que para facilitar el análisis, este el papel ignora el interruptor de control y abrazadera Q2 principio de funcionamiento, estudiar únicamente el interruptor principal Q1 y ZCS cuasi-resonante circuito.


Fig. 1 estructura principal del circuito

Fig. 1 es un ZCS cuasi-resonante circuito compuesto por un interruptor de potencia Q1, un transformador T1, un diodo rectificador D1, un diodo de rueda libre D2 y un inductor resonante L2 y un condensador C1.


Fig. 2 principio y forma de onda de trabajo de ZCS circuito resonante


en FIG. 2, L2 es una inductancia resonante, que se establece primero como la inductancia de fuga equivalente secundaria de un transformador de potencia, el diodo D2 puede garantizar que el condensador C1 no se cobra a la inversa, y desde la inductancia del filtro de salida I3 es mucho más grande que la inductancia de fuga L2 del transformador, la carga puede ser equivalente a una fuente de corriente Io, y la inductancia de fuga del lado secundario es:

Desde el modelo equivalente, las ecuaciones del circuito se pueden enumerar:

Para resuelva la ecuación diferencial anterior, reemplace la condición de estado cero I2 (t = 0) = Io, Vc (t = 0) = 0 (se obtiene el estado al comienzo de un período de conmutación:

Dónde ω es la frecuencia angular resonante, z es la impedancia característica del circuito, v es el voltaje del devanado secundario del transformador,

Para lograr el apagado por corriente cero del tubo del interruptor, I2 debe reducirse a 0 antes de apagar el tubo del interruptor. como se puede ver desde ecuación (6), para poder volver a cero con cualquier carga, il requiere:

ecuación (7) es la condición de resonancia de ZCS cuasi-resonante circuito, su significado físico es que la corriente máxima de la unidad resonante no puede ser menor que la corriente de carga, ver figura 3.



figura 3 corriente resonante y corriente de salida


en teoría, cuanto mayor sea la corriente pico del circuito de la unidad resonante, más fácil será satisfacer la condición resonante en varias condiciones, pero la corriente pico fluye a través de VMOS dispositivos de conmutación, diodos rectificadores y condensadores resonantes aumentarán la tensión y la pérdida de corriente de estos dispositivos. es un estado relativamente ideal que la corriente de resonancia máxima sea igual a la corriente de carga, que puede garantizar que Q1 se puede apagar a corriente cero bajo cualquier condición de carga, y el consumo de CC se minimiza en diseño de ingeniería, teniendo en cuenta cuenta la temperatura, la discreción de los componentes y otras condiciones, la relación de Ito IPK es 0,75.



2.2 cálculo de la inductancia resonante

El unidad resonante mostrada en FIG. 2, la frecuencia característica de su resonancia:

Porque la tensión de entrada, la resistencia de salida y otros parámetros se incluyen en la ecuación Z, la ecuación puede calcular el valor de inductancia resonante del circuito resonante de ZCS cuasi-resonante convertidor dc dc militar con diferente tensión de transmisión y potencia.


El principio de diseño del transformador con 3 densidad de flujo magnético

3,1 breve introducción de la tecnología de integración magnética

El La tecnología de integración magnética es una nueva tecnología que integra los elementos magnéticos en una estructura de núcleo utilizando la relación entre el flujo magnético y la corriente de devanado de cada elemento magnético en el convertidor de potencia, para reducir el volumen del elemento magnético, reducir la pérdida del núcleo y el devanado, y mejorar la densidad de potencia del convertidor de potencia. El objetivo de cambiar la estructura de la rama del núcleo magnético es cómo para obtener más circuitos magnéticos ramificados, que se puede lograr mediante tres métodos: agregando imanes adicionales en el núcleo magnético para obtener el multi-rama circuito magnético estructura; combinando el núcleo magnético general existente para obtener el multi-rama circuito magnético seleccionando la forma de núcleo especialmente diseñada para obtener el multi-rama circuito magnético directamente.

3,2 forma y diseño de circuito magnético del transformador de recogida magnética

en esto papel, los parámetros del circuito resonante deben diseñarse razonablemente, la inductancia resonante y el diseño del condensador resonante deberían no solo cumple con la condición de corriente cero, sino que también considera la tensión actual de otros dispositivos y la pérdida de todo el circuito. para controlar con precisión el tamaño de la inductancia resonante, la inductancia resonante y el transformador de potencia se integran magnéticamente en un núcleo especialmente diseñado para convertirlo en la inductancia de fuga del transformador. que la capacitancia distribuida entre el primario y el secundario del transformador en ZCS circuito de conmutación suave es equivalente a la capacitancia entre los polos ds de VMOS tubo interruptor, que conduce a un tiempo de apagado más largo de VMOs y no es propicio para la realización de alta frecuencia circuito, la distancia entre los devanados primario y secundario del núcleo u es relativamente lejana, la capacitancia distribuida es pequeña y es fácil lograr un aislamiento de alto voltaje, y el área de la ventana del núcleo u es grande, por lo que es fácil de aumentar magnético shunt.Based en el análisis anterior, la estructura del núcleo magnético del transformador magnético integrado diseñado en este el papel se muestra en la figura 4. El idea de diseño es agregar una columna central rectangular con un área de sección transversal muy pequeña en el medio del núcleo del transformador en forma de U, de modo que se agrega un circuito magnético derivado al transformador en forma de U, y se recubre el cobre en la superficie del núcleo magnético, para reducir el capacitancia distribuida entre el transformador primario y secundario y la inductancia de fuga causada por otro flujo magnético de fuga además del circuito magnético derivado, aunque esto la inductancia de fuga siempre existe y su proporción es pequeña. para facilitar el análisis, este El papel se identificará como un valor fijo relativamente pequeño, su función a través de los resultados de la prueba del circuito, ajustar la inductancia de fuga de derivación magnética de la columna central a



Fig. Diagrama de estructura de 4 núcleos


Fig. 5 diseño de circuito magnético de fugas

Fig. 5 es un diagrama esquemático que muestra el cambio del circuito magnético del núcleo magnético en forma de U. Cuando no hay un circuito de derivación intermedio en el núcleo magnético, el flujo magnético generado por la corriente de acceso de la bobina primaria I1 estará totalmente acoplado a la bobina secundaria, y la inductancia de fuga LK1 del transformador es aproximadamente cero. El El diagrama del circuito magnético se muestra en FIG. 5 (a). Cuando hay un circuito de derivación intermedio en el núcleo magnético, FIG. 5 (B) Según según la definición de inductancia de fuga, el flujo magnético producido por la corriente i del devanado primario se divide en dos partes, Φ 12 y Φ 13. Φ 13 pasa por el circuito magnético de la columna central, pero no pasa por el devanado secundario. según la definición de inductancia de fuga, el flujo magnético producido por Φ 13 a través de la columna central es el flujo magnético de fuga del transformador. El inductancia producida en este parte del devanado de flujo magnético es la inductancia de fuga del transformador, que es equivalente a la inductancia resonante en el circuito secundario.

diseño de inductancia de fuga de 3.3 transformador magnético integrado

como se puede ver desde En la sección anterior, la inductancia de fuga del transformador se puede cambiar cambiando la sección transversal de la columna central para cumplir con las condiciones de resonancia del circuito resonante, pero porque el núcleo magnético se sinteriza y se moldea una vez, la inductancia teórica siempre es diferente de el valor real, por otro lado, la inductancia resonante del convertidor dc dc militar con la misma potencia de salida y diferente voltaje de salida también es diferente, por lo que obviamente no es económico diseñar un núcleo de transformador para cada voltaje de salida. para resolver esto problema, el espacio de aire 8 está diseñado en la rama magnética central, de modo que el espacio de aire δ se puede ajustar para cumplir con los requisitos de diferentes inductores resonantes en aplicaciones de ingeniería. hay un espacio de aire en la derivación magnética central, como se muestra en FIG. 6, desde la permeabilidad del aire es mucho menor que la permeabilidad del núcleo magnético, la permeabilidad efectiva en la derivación magnética central disminuirá, y la del medio 13 disminuirá, y por lo tanto la inductancia correspondiente también disminuirá; Además, cuanto mayor es la longitud del entrehierro 8, menor es el flujo magnético que pasa a través de la derivación magnética central y menor es la inductancia de fuga equivalente en relación con el transformador, de modo que la inductancia de fuga del transformador, es decir, la inductancia resonante en el circuito resonante, se puede controlar con precisión controlando la longitud del entrehierro δ.


Fig. 6 diagrama esquemático del circuito magnético

para simplificar el análisis, el transformador resonante de circuito integrado puede considerarse como un tipo C núcleo con la misma área de sección transversal que la columna magnética central incrustada en el imán del lado secundario (Fig. 7), y la inductancia generada por el núcleo en el devanado secundario es la inductancia de fuga del transformador.



Fig. 7 diagrama esquemático de inductancia equivalente


Dónde: RC - Magnetorresistencia del circuito central, r § Magnetorresistencia del circuito de espacio de aire


en general, RC = R, la fórmula de cálculo de la inductancia puede ser aproximadamente como sigue:


3.4 diseño de bobinado de transformador resonante integrado magnéticamente

ZCS adopta el circuito PFM control, el tiempo de conducción de VMOs interruptor Q1 es fijo, la frecuencia es variable, su método de diseño de bobinado es diferente de PWM circuito, para voltaje de entrada fijo y condiciones de carga, hay una frecuencia de trabajo específica, de acuerdo con la ley de inducción electromagnética, el voltaje del devanado primario:

integrar ambos lados de la fórmula (17) para obtener:


Si la razón del primer turno al segundo turno es N, luego:


Dónde K1 es la relación entre la frecuencia de conmutación máxima y la frecuencia resonante:



bobinado secundario vueltas:


El potencia VMOS tiempo de conducción de avance ZCS El circuito es una función del voltaje de entrada y la carga, y su frecuencia de resonancia f es baja en el extremo inferior del voltaje de entrada, y la frecuencia de resonancia del extremo inferior es 0,75 de la frecuencia de diseño.



El La fórmula anterior no considera la influencia de parámetros como la resistencia de la bobina del transformador, la resistencia de encendido de VMOS dispositivo y la unión de voltaje del diodo rectificador en el cálculo de Max, y las vueltas de bobina calculadas deben ser corregido experimentalmente.


4 ejemplo de diseño de transformador resonante

tomando el convertidor dc dc militar con 48V voltaje de entrada, 5V voltaje de salida y 200W potencia de salida como ejemplo, el método de diseño del transformador mencionado anteriormente se describe en detalle.

entrada voltaje: 36V ~ 75V

salida Voltaje: 5V

salida corriente: 40A

frecuencia máxima de funcionamiento: 800K

el tiempo: 500ns

4.1 Potencia, tamaño y diseño del transformador.

El El convertidor está empaquetado en un estándar medio ladrillo estructura. basado en el análisis anterior y combinado con con las características de este proyecto, las dimensiones de diseño del núcleo magnético que se muestra en la figura 4 se muestran en la tabla 1.


El El método de diseño de volumen de potencia del transformador es el método de diseño de transformador más utilizado, que calcula el parámetro de volumen del núcleo a × a (el producto del área de la ventana del núcleo ay el área efectiva del núcleo A) según el valor voltio-amperio del transformador

como se puede ver desde FIG. 4 y tabla 1:


(Área ocupada por una × d fuga flujo)


El El método del producto de la zona se utiliza normalmente para confirmar si el núcleo cumple con los requisitos de potencia de salida y la fórmula aproximada es:

Dónde: Salida P0 poder

△ b - - variación de la densidad de flujo

F-TRANSFORMER frecuencia

k - coeficiente de forma de onda (directo convertidor, k = 0.014)

El Las principales características del material se muestran en la figura 8 y figura 9. Desde figura 8, podemos ver que el valor b de DM51W es 430 mt a 100 ℃, la frecuencia de resonancia del convertidor es 1 MHz, correspondiente al flujo densidad-potencia curva de pérdida de 1 MHz, el valor b es 80 mT, el consumo de energía del núcleo es 800 mW / cm3, este el consumo de energía es aceptable, entonces bm = 80 mT, porque el nivel de potencia del circuito real adopta un circuito de abrazadera activo, el núcleo funciona en 1-3 cuadrantes.


Fig. 8 DM51W flujo magnético densidad-magnético curva de intensidad de campo


Fig. 9 DM51W flujo Densidad-Potencia curva de pérdida


según la ecuación (23), tomando en cuenta el 120 % condición de sobrecarga,

fórmula de comparación (22) con fórmula (25), a · a > AP, se puede ver que el tamaño del núcleo magnético cumple con los requisitos.


4.2 diseño sinuoso

según la fórmula (18), calcular el devanado primario,

calcular el devanado secundario según la fórmula (22),

El la corriente de salida del transformador es grande y la frecuencia de trabajo es alta, es necesario tener en cuenta el efecto de piel y el efecto de proximidad del conductor cuenta, 0.2mmx13 En el secundario se utiliza toda la lámina de cobre, de modo que se reduce el efecto piel y se elimina el efecto proximidad, y se puede reducir la pérdida.


4.2 cálculo de la inductancia de fuga del transformador y la longitud del entrehierro de la columna central

Desde ecuación (8), la impedancia característica del circuito resonante

como se puede ver desde fórmula (11) y fórmula (12), que la inductancia resonante y el valor de capacitancia resonante son:

conocido por expresión (16)


El inductancia de fuga L2 obtenido por la ecuación (29) es la inductancia de fuga total del transformador resonante, y la inductancia de fuga inherente del transformador no puede ignorarse porque el valor de L2 es relativamente pequeño, aunque Se toman medidas como mejorar el acoplamiento para controlar la inductancia de fuga causada por el flujo magnético discreto, por lo que el tamaño del entrehierro se determina mediante la ecuación (31) debe corregirse mediante pruebas.

en resumen, los parámetros de diseño del transformador son

Primario: d 0,05 mm x 96 leeds hilo doble bobinado 4 vueltas

Secundario: 0,2 mm × 13 bobinado de hoja de cobre 1 vuelta

columna magnética espacio: 0,55 mm

estructura del núcleo tamaño: se muestra en la tabla 1.

El Las fotografías físicas del transformador se muestran en la figura 10:


Fig. 10 fotografías de objetos físicos internos de productos


6 verificación de prueba

6.1 prueba de transformador

El transformador resonante de circuito magnético integrado voltaje de salida de 5V y potencia de salida de 200W está diseñado de acuerdo con el método anterior. El La prueba del circuito se realiza en el circuito de acceso. El Las formas de onda medidas de los puntos clave se muestran en Fig. 11.




Fig. 11 forma de onda medida del circuito

11 (a) y 11 (B), cuanto menor es la corriente de carga, menor es la corriente de resonancia cruce por cero tiempo es, y más fácil es satisfacer la condición de resonancia. El mayor es la corriente de carga, mayor es la corriente de resonancia cruce por cero tiempo es, y menos fácil es satisfacer la condición de resonancia; cuando la corriente de carga es constante, cuanto mayor es la tensión de entrada y menor es la corriente de resonancia cruce por cero el tiempo es, en comparación con con higos. 11 (C) y 11 (d). se puede ver desde las formas de onda anteriores que, bajo diversas condiciones de carga, el interruptor principal está en el corriente cero modo, cual verifica que la idea de diseño de inductancia de fuga del transformador magnético integrado sea correcta y que el método de diseño de parámetros sea razonable.


Fig. 12 fotografías de productos físicos


6.2 aplicación de transformadores

de acuerdo con el principio de integración magnética anterior, el transformador resonante diseñado se puede aplicar a una serie de productos, en los cuales la forma de onda medida del MV48B5M200Bmilitary El convertidor dc dc se muestra en la figura 12, y los indicadores técnicos se muestran en la tabla 2:


7. Conclusión

según el principio de integración magnética, este presenta un método de diseño para integrar la inductancia resonante de ZCS cuasi-resonante convertidor dc dc militar el transformador de potencia. El Los resultados del análisis teórico y la verificación experimental muestran que la inductancia resonante del transformador resonante diseñado por this El método se puede controlar con precisión ajustando el entrehierro de la derivación magnética, que es apto para producción en masa.

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