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一种反激式开关电源的变压器屏蔽层设计方法技术

技术编号:15120756 阅读:34 留言:0更新日期:2017-04-09 19:26
本发明专利技术公开了一种反激式开关电源的变压器屏蔽层设计方法,包括:1)测量估算变压器的结构及电气参数;2)设置屏蔽层长度为该层圆周长,厚度根据实际供应设置,该层的位置为适当值,利用有限元分析软件仿真出在不同屏蔽层宽度下,变压器原副边绕组之间的结构电容及副边绕组与屏蔽铜箔层之间的结构电容;3)计算不同屏蔽层宽度下,变压器中的共模评估等效电容,并绘制关于共模评估等效电容-屏蔽层宽度的特征曲线;4)根据绘制出的特征曲线求得共模评估等效电容等于0时的屏蔽层宽度,即为抑制变压器共模电流的最佳屏蔽层宽度。与现有共模抑制技术相比,本发明专利技术方法实现简单、成本低、能减轻共模滤波器的体积和重量及抑制效果明显等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于变压器设计
,具体涉及一种反激式开关电源的变压器屏蔽层设计方法
技术介绍
反激式开关电源由于具有隔离功能,广泛应用于通信、服务系统和小功率电子设备中。这些设备都需要满足相关的电磁兼容(EMC)标准,因此开关电源产品设计中往往有一定的电磁干扰(EMI)滤波措施。而伴随着开关器件越来越好的开关特性,高的dv/dt和di/dt带来严重的EMI问题。这些严重的EMI问题一方面会使电源产品难以达到相关EMC标准,另一方面即使达到相关EMC标准,有时也会在较敏感的负载侧形成共模噪声,对电子负载造成严重干扰。采用滤波器对共模干扰进行抑制可以降低EMI水平,但却增加了电源装置的体积和重量。如图1所示,反激式开关电源的共模干扰源包括原边MOSFET和副边二极管,由于二者产生的共模电流方向相反,设计合适的屏蔽层可以抵消变压器中的共模电流,从而在不增加滤波器体积和重量的情况下降低共模噪声的水平。变压器中的屏蔽层物理参数主要包括屏蔽层长度Lsh、宽度Wsh和厚度Tsh,当屏蔽层置于变压器中时,其物理参数还包含屏蔽层的位置H(即屏蔽层底端与原边绕组底端之间的距离),如图2所示。屏蔽层的设计方法主要是指对这四个物理参数的设计方法。若不使用屏蔽层,由于原边MOSFET与副边二极管产生的共模电流并不相等,变压器中的共模电流无法抵消,则负载侧的共模噪声水平较高。若使用传统的屏蔽层(即Wsh=Wp)对整个变压器绕组窗口进行屏蔽,则可以对MOSFET产生的共模电流大幅抑制,但却无法有效抑制二极管产生的共模电流,变压器中总的共模电流仍然较大。若屏蔽层的宽度或长度不足以覆盖整个绕组窗口,则原副边的共模电流均不为零,但方向相反,在变压器中抵消,变压器中总的共模电流则会小于不使用屏蔽层或使用传统屏蔽层时的共模电流。理论上,固定好屏蔽层的宽度、厚度和位置,适当调整长度;或者固定好屏蔽层的长度、厚度和位置,适当调整宽度均可以使变压器中的共模电流最小,从而将负载侧的共模噪声抑制到最低水平,但如何定量设计这些指标却是业内长期难以很好实现的课题。
技术实现思路
为了克服现有技术对共模干扰抑制不足的技术问题,本专利技术提供了一种反激式开关电源的变压器屏蔽层设计方法,该方法不会增加滤波器设计的负担,整个设计过程采用仿真和计算,不会增加额外的成本。一种反激式开关电源的变压器屏蔽层设计方法,包括如下步骤:(1)测量获取变压器的结构参数及电气参数,并初始化设定变压器屏蔽层的位置;(2)利用有限元分析软件仿真出在不同屏蔽层宽度Wsh下变压器中相邻原副边绕组之间的结构电容以及副边绕组与屏蔽层之间的结构电容;(3)根据仿真得到的上述结构电容,计算不同屏蔽层宽度Wsh下变压器中的共模评估等效电容Ck(total),进而绘制得到关于Wsh-Ck(total)的特征曲线;(4)判断所述的特征曲线在坐标系中是否与轴线Ck(total)=0有交叉:若是,则使该交叉点所对应的屏蔽层宽度以及当前的屏蔽层位置组合作为抑制变压器共模电流的最佳屏蔽层设计方案;若否,则调整屏蔽层位置并返回执行步骤(2),直至得到的特征曲线在坐标系中与轴线Ck(total)=0交叉。在对变压器屏蔽层设计之前,设定屏蔽层的长度为其圆周长,屏蔽层的厚度则根据其实际所选用的材料厚度而定,故这两个参数均事先选定为常数。所述的步骤(3)中通过以下公式计算变压器中的共模评估等效电容Ck(total):Ck(total)=Σj=1nCkj]]>其中:Ckj为变压器中第j对相邻原副边绕组之间的等效电容评估值,n为变压器中相邻原副边绕组的对数。变压器中任一对相邻原副边绕组之间等效电容评估值Ck的表达式如下:Ck=[Np0+H2+Wp2-(H+Wsh)22Wp(Wp-Wsh)Np-Ns0-12Ns]Cps0-(Ns0+12Ns)Cssh0]]>其中:Np0和Ns0分别为原边绕组和副边绕组的低压端电压,Np和Ns分别为原边绕组和副边绕组的匝数,Wp为原边绕组的宽度,H为屏蔽层底端与原边绕组底端之间的垂直距离,Cps0为原副边绕组之间的结构电容,Cssh0为副边绕组与屏蔽层之间的结构电容。优选地,所述的屏蔽层采用铜箔层。与现有技术相比,本专利技术具有以下有益技术效果:(1)本专利技术变压器装置简单可行,成本低。屏蔽层材料为铜箔层,成本低,且易于购买,设计出来后的变压器只是在结构上增加了屏蔽铜箔层,装置相比滤波器的设计更简单。与传统屏蔽层相比,本专利技术方法仅仅依靠改变屏蔽层的宽度就实现了对共模噪声的抑制,不会额外增加产品成本。(2)本专利技术减少了变压器装置的重量和体积。屏蔽层本身较轻,且厚度较薄,不会增加变压器或整个电源装置的重量或体积。通过设计变压器中合适的屏蔽层在一定程度上抑制了共模噪声,减轻了共模滤波器的设计负担,可以适当减小滤波器的重量和体积,从而减少整个装置的重量和体积。(3)本专利技术共模噪声抑制效果显著。使用本专利技术方法设计出来的变压器屏蔽层对反激电路负载侧的共模噪声进行抑制,与采用传统屏蔽层的共模噪声抑制效果相比明显更低。附图说明图1为反激式开关电源的共模电流传播路径示意图。图2(a)为屏蔽层平面展开后的物理参数示意图。图2(b)为屏蔽层在变压器中的剖视图。图2(c)为屏蔽层在变压器中的俯视图。图3为关于共模评估等效电容-屏蔽层宽度的特征曲线示意图。图4为原副边绕组之间的结构电容分布示意图。图5为副边绕组与屏蔽层之间的结构电容分布示意图。图6为变压器的原理图。图7为变压器的结构剖视图。图8(a)是屏蔽层宽度为2mm时反激开关电源负载侧的共模噪声频谱图。图8(b)是屏蔽层宽度为3mm时反激开关电源负载侧的共模噪声频谱图。图8(c)是屏蔽层宽度为3.5mm时反激开关电源负载侧的共模噪声频谱图。图8(d)是屏蔽层宽度为4mm时反激开关电源负载侧的共模噪声频谱图。图8(e)是屏蔽层宽度为5mm时反激开关电源负载侧的共模噪声频谱图。具体实施方式为了更为具体地描述本专利技术,下面结合附图及具体实施方式对本专利技术的技术方案进行详细说明。本专利技术反激式开关电源的变压器屏蔽层设计方法,通过有限元分析软件仿真出不同的屏蔽层宽度下原副边绕组之间的结构电容和副边绕组与屏蔽层之间的结构电容,再利用共模电流评估公式计算出共模电流最小时屏蔽层宽度,具体包括如下步骤:(1)测量估算变压器的绕组直本文档来自技高网
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一种反激式开关电源的变压器屏蔽层设计方法

【技术保护点】
一种反激式开关电源的变压器屏蔽层设计方法,包括如下步骤:(1)测量获取变压器的结构参数及电气参数,并初始化设定变压器屏蔽层的位置;(2)利用有限元分析软件仿真出在不同屏蔽层宽度Wsh下变压器中相邻原副边绕组之间的结构电容以及副边绕组与屏蔽层之间的结构电容;(3)根据仿真得到的上述结构电容,计算不同屏蔽层宽度Wsh下变压器中的共模评估等效电容Ck(total),进而绘制得到关于Wsh‑Ck(total)的特征曲线;(4)判断所述的特征曲线在坐标系中是否与轴线Ck(total)=0有交叉:若是,则使该交叉点所对应的屏蔽层宽度以及当前的屏蔽层位置组合作为抑制变压器共模电流的最佳屏蔽层设计方案;若否,则调整屏蔽层位置并返回执行步骤(2),直至得到的特征曲线在坐标系中与轴线Ck(total)=0交叉。

【技术特征摘要】
1.一种反激式开关电源的变压器屏蔽层设计方法,包括如下步骤:
(1)测量获取变压器的结构参数及电气参数,并初始化设定变压器屏蔽层
的位置;
(2)利用有限元分析软件仿真出在不同屏蔽层宽度Wsh下变压器中相邻原
副边绕组之间的结构电容以及副边绕组与屏蔽层之间的结构电容;
(3)根据仿真得到的上述结构电容,计算不同屏蔽层宽度Wsh下变压器中
的共模评估等效电容Ck(total),进而绘制得到关于Wsh-Ck(total)的特征曲线;
(4)判断所述的特征曲线在坐标系中是否与轴线Ck(total)=0有交叉:若是,
则使该交叉点所对应的屏蔽层宽度以及当前的屏蔽层位置组合作为抑制变压器
共模电流的最佳屏蔽层设计方案;若否,则调整屏蔽层位置并返回执行步骤(2),
直至得到的特征曲线在坐标系中与轴线Ck(total)=0交叉。
2.根据权利要求1所述的变压器屏蔽层设计方法,其特征在于:在对变压
器屏蔽层设计之前,设定屏蔽层的长度为其圆周长,屏蔽层的厚度则根据其实
际所选用的材料厚度而定,故这两个参数均事先选定为常数。
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【专利技术属性】
技术研发人员:陈恒林肖记
申请(专利权)人:浙江大学
类型:发明
国别省市:浙江;33

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