多年來，我觀察到在設(shè)計磁性元件時有兩類人。首先，你有那些知道如何構(gòu)建零件的人。他們通常是經(jīng)驗豐富的工程師或技術(shù)人員，他們知道有簡單直接的設(shè)計方法可以確保成功。其次，工程界的其他人都被磁力嚇壞了。似乎有無窮無盡的棘手方程式，掩蓋了“如何開始設(shè)計”的優(yōu)雅簡單。

構(gòu)建和迭代部件是無可替代的，它是真正獲得知識和經(jīng)驗的唯一途徑。我們已經(jīng)看到這應(yīng)用于電感器設(shè)計，現(xiàn)在我們將注意力轉(zhuǎn)向第二個磁性元件——變壓器。

兩種磁路元件

電路理論中只有兩種類型的磁體——簡單的電感器和理想的變壓器。如果鐵芯上有一個繞組，則有一個電感器。如果您有兩個或多個繞組，或者甚至只是一個繞組上的一個抽頭，那么您就有了一個變壓器。它不會是一個理想的變壓器，這只能在模擬中實現(xiàn)，但我們?nèi)匀环Q它為變壓器。

圖 1：兩種類型的磁性元件

正如我們將看到的，當(dāng)您嘗試構(gòu)建理想變壓器時，必須添加額外的電感組件才能充分解釋其操作。這就是使磁性元件如此有趣的原因——對這些額外組件的適當(dāng)控制使專家與新手區(qū)分開來。詳細(xì)的構(gòu)造技術(shù)導(dǎo)致非常先進的設(shè)計，而無需無窮無盡的方程式。但讓我們從頭開始。正如我們在之前的文章中了解到的，大多數(shù)關(guān)于磁性的出版物都使設(shè)計過程顯得過于復(fù)雜。對于電感器，我們展示了正確設(shè)計只有一個必須遵守的方程式。除了這個等式之外，鼓勵工程師使用設(shè)計迭代來探索設(shè)計任務(wù)的可能性。對于電感，公式為：

圖 2：單電感器設(shè)計方程式

這個單一方程告訴我們，對于給定的電感和它必須承載的峰值電流，您需要選定磁芯上的某個最小匝數(shù)，以免磁芯材料飽和。就是這么簡單。如何用導(dǎo)線、箔、利茲或其他材料排列這些匝將決定電感器的性能。變壓器更復(fù)雜，因為它們上有兩個或更多繞組。但是，它們是電路模擬器中的基本元素，它們在原理圖中的符號也很簡單。

圖 3：理想變壓器及其等效電路

從圖 3 中的電路可以看出，理想變壓器的操作很容易定義。如果變壓器的匝數(shù)比為 n:1，則變壓器的輸出電壓正好等于輸入電壓除以 n。同樣，變壓器的輸入電流等于輸出電流除以 n。

這個具有兩個來源的簡單等效電路為我們提供了一些重要的見解。請注意，輸入第一個繞組的功率與輸出第二個繞組的功率完全相等。換句話說，理想變壓器中沒有能量存儲。其結(jié)果是變壓器沒有固有的額定功率。我們可以將無限的功率推入一個繞組，并從第二個繞組接收無限的功率。

缺乏能量存儲使這成為可能。如果您使用過工頻變壓器，您就會知道這一點。標(biāo)簽上標(biāo)稱額定功率為 50 W 的變壓器非常有能力在短時間內(nèi)為您提供 500 W 的功率而不會產(chǎn)生不良影響。當(dāng)用切換器替換線性電源時，很容易忽略這個事實。

構(gòu)建變壓器

圖 4 顯示了變壓器的構(gòu)造方式。我們有一個通常沒有缺口的核心。初級和次級匝通常一個在另一個之上纏繞，但也有例外。對于給定的芯尺寸和形狀，芯具有橫截面積，以及由芯的材料決定的磁導(dǎo)率。制作變壓器時，繞組及其排列方式有無窮無盡的選擇。

圖 4：變壓器的構(gòu)造

無論匝數(shù)如何排列，鐵芯如何選擇，都不可能做出理想的變壓器。理想變壓器只能存在于理論上的電路元件中。用于包圍變壓器場的磁芯為設(shè)備增加了許多額外的電路元件。其中第一個也是最重要的是磁化電感，它出現(xiàn)在等效電路中，如下所示。

請注意，我們在這個電路模型中仍然有一個理想的變壓器，能夠處理無限的功率。然而，與這種理想器件并行的是變壓器的磁化電感。這個電路元件的行為與任何其他電感器一樣——如果我們通過它推動過多的電流，我們可能會使材料飽和。這通常是在任何情況下都必須避免的破壞性事件。

圖 5：具有并聯(lián)勵磁電感的理想變壓器

流過勵磁電感的電流不是負(fù)載電流。勵磁電流由施加在變壓器上的電壓波形決定，與流經(jīng)變壓器理想部分的電流無關(guān)。

圖 6 顯示了我們?nèi)绾卧谧儔浩髟O(shè)計中使用磁性材料。對于正激式轉(zhuǎn)換器，磁芯中的磁通量在每個循環(huán)開始時從零開始，并在開關(guān)導(dǎo)通時間結(jié)束時增加到材料的峰值水平。對于橋式轉(zhuǎn)換器，我們可以在兩個象限中驅(qū)動核心，這可以使核心的尺寸更小。但是，必須小心保持核心通量以零為中心，這可能很難控制。

圖 6：變壓器磁芯中的磁通擺幅

圖 7：外加電壓和磁化電流的影響

變壓器的一個方程

圖 7 顯示了在變壓器上施加的電壓波形，以及相應(yīng)的勵磁電流。電流在開關(guān)導(dǎo)通期間上升，并在復(fù)位期間再次下降至零。重置是通過各種方案實現(xiàn)的。它們中的每一個都涉及在變壓器的初級兩端施加負(fù)電壓以降低磁化電流。開關(guān)導(dǎo)通期間勵磁電流的斜率（以藍色顯示）由電感值和施加到變壓器的電壓決定。很容易證明，這個磁化電感和電流等價如下：

圖 8：變壓器的單一設(shè)計方程式

擁有一個方程式是變壓器的關(guān)鍵方程式，這是一個有利的啟示。您無需更深入地開始繞組變壓器。對于在轉(zhuǎn)換器中運行的變壓器，我們知道開關(guān)的最大電壓和最大導(dǎo)通時間。如果我們對鐵氧體材料采用 0.3 T 的最大磁通水平，那么任何給定的磁芯及其面積都具有避免飽和所需的定義匝數(shù)。用于設(shè)計可靠商用電源的 0.3 T 通量水平。高可靠性電源可能會將此水平降低到 0.25 T 或 0.2 T，具體取決于應(yīng)用。

理論上，我們可以將橋式轉(zhuǎn)換器的值翻倍至 0.6 T，認(rèn)識到磁通量可以在兩個方向上擺動。但是，我們需要關(guān)注變壓器的初始啟動。通量可以為零。轉(zhuǎn)換器中的大瞬態(tài)事件范圍可以從極輕負(fù)載到滿負(fù)載。這是一個謹(jǐn)慎的判斷，以充分的測試為后盾，決定了要使用多少可用凈空。

其他設(shè)計方程式和注意事項

擁有一個方程式可以簡化事情。然而，當(dāng)您閱讀磁學(xué)教科書或應(yīng)用筆記時，您會發(fā)現(xiàn)許多額外的設(shè)計方程和約束。與電感器設(shè)計一樣，其中大部分是消除設(shè)計迭代并一次性解決“最佳”設(shè)計的額外嘗試。在我看來，這沒有用。當(dāng)冷卻安排和結(jié)構(gòu)因應(yīng)用而異時，您不可能使用相同的一組約束和指導(dǎo)來優(yōu)化每個設(shè)計。在這方面，我們忽略了填充因子、窗口面積乘積和導(dǎo)體電流密度的傳統(tǒng)準(zhǔn)則。教科書中的假設(shè)根本不適用于現(xiàn)代磁性結(jié)構(gòu)。它們源自過去的線頻磁學(xué)。使用 ONE EQUATION 并邊走邊學(xué)要好得多。

概括

創(chuàng)建變壓器設(shè)計需要一個設(shè)計方程。這個方程可以在所有磁性書籍中找到，但沒有強調(diào)為必不可少的一個方程。它隱藏在數(shù)百個其他方程下。一旦理解了這一點，就可以非常簡單地開始設(shè)計和構(gòu)建自己的變壓器。

變壓器是有趣的元素，因為它們不儲存能量，因此沒有明確的額定功率。這導(dǎo)致您將在生產(chǎn)設(shè)計中看到各種各樣的尺寸和形狀。一家公司的 100 W 變壓器鐵芯將被另一家公司以 800 W 的功率使用。雖然這乍一看令人費解，但理解 ONE EQUATION 可以提供洞察力。

我們建議的方法是使用 ONE EQUATION 并快速構(gòu)建和迭代設(shè)計。變壓器設(shè)計方面的實踐經(jīng)驗無可替代。

審核編輯：符乾江