Проектирование трансформатора с обратной связью с использованием сердечника и каркаса

В этой статье я расскажу о процессе проектирования, используемом для определения параметров конструкции трансформатора, необходимых в моем предыдущем проекте настраиваемого flyback-преобразователя. В этом проекте я разработал flyback-преобразователь, который принимает переменный ток, выпрямляет его в постоянный и понижает до выходного напряжения 3,3 В. Преобразователь основан на Texas Instruments UCC28881. Как и в случае с многими изолированными коммутируемыми преобразователями, для конструкции потребовался настраиваемый трансформатор.

Инструмент WEBench от Texas Instruments предоставляет рекомендации по проектированию и рекомендации по сердечнику/катушке для этого проекта. В этом процессе проектирования я буду использовать их рекомендации по сердечнику и катушке для завершения конструкции трансформатора. Я также рассчитаю физические параметры разработанного трансформатора.

Начало работы с настраиваемым трансформатором

В изолированном коммутируемом преобразователе, я считаю, что лучшая стратегия для определения необходимых параметров трансформатора - начать с вторичной (выходной) стороны и двигаться к первичной стороне, а также к любым третичным обмоткам. Мы начнем с следующего процесса:

• Проверить первичную индуктивность на основе частоты ШИМ и коэффициента заполнения
• Использовать индуктивность и напряжения для определения коэффициента трансформации
• Определить количество необходимых витков на основе свойств материала сердечника
• Убедиться, что размер катушки подходит на основе необходимого сечения провода и площади окна

Одним важным моментом в этом процессе является то, что некоторые параметры вы можете определить самостоятельно. Например, вы можете выбрать частоты коммутации и целевой минимальный/максимальный коэффициент заполнения ШИМ на основе возможностей вашего коммутатора. Ваша индуктивность может потребовать корректировки для учета необходимых изменений в этих параметрах.

Далее, на основе среднего тока и средней мощности передачи могут быть ограничения на размер сечения провода, который можно использовать в катушке. Более высокий средний ток потребует использования провода большего сечения, чтобы предотвратить сильный нагрев трансформатора. Так что, если вы хотите, чтобы ваш трансформатор передавал больше мощности с более высоким средним током, тогда вам понадобится физически более крупный трансформатор.

Имея это в виду, давайте перейдем к индуктивностям.

Первичные и вторичные обмотки (непрерывный режим)

Сначала мы можем рассчитать индуктивности первичной и вторичной обмоток следующим образом:

Уравнение L(s) обозначает работу в режиме разрывного тока; измените направление неравенства, и у вас будет режим непрерывного тока. V(diode) - это прямое напряжение выпрямительного диода на вторичной стороне.

В этом уравнении мы хотим определить предел вторичной индуктивности, который позволит коммутатору непрерывно регулировать выходное напряжение. В режиме управления напряжением коммутатор будет регулировать рабочий цикл, поэтому вам нужно использовать максимальный рабочий цикл и частоту, чтобы определить верхний предел индуктивностей. Максимальный выходной ток и вторичное напряжение являются номинальными значениями.

Соотношение витков и фактический рабочий цикл

Далее, нам нужно определить соотношение витков и фактический рабочий цикл, при котором требуется работа преобразователя. До тех пор, пока фактический рабочий цикл меньше максимального рабочего цикла вашего коммутатора, индуктивность на вторичной стороне не будет слишком большой для поддержания регулирования, и конструкция должна быть жизнеспособной.

Это уравнение дает вам отношение между соотношением витков и рабочим циклом. Помните, что коммутатор может работать на любом рабочем цикле до его максимума, и контур управления будет регулировать рабочий цикл ШИМ на основе измерения выходного напряжения. Когда вы знаете рабочий цикл, введите его в это уравнение, чтобы получить требуемое соотношение витков.

Далее, полезно знать пиковый ток на первичной стороне, поскольку это пиковый ток, который будет протекать через коммутатор. Это важно, потому что некоторые коммутаторы могут иметь защиту от перегрузки по току, и это включает UCC28881. Теперь нам нужно использовать спецификацию пикового тока, целевой рабочий цикл и значения соотношения витков для проверки пиковых токов. Для UCC28881 пиковый предел первичного тока перед отключением показан ниже (440 мА непрерывно, 770 мА импульсно).

В следующем разделе я буду использовать максимальный предел импульсного тока с некоторым дерейтингом, чтобы проверить, что конструкция может соответствовать моим спецификациям.

Проверка расчетов

Здесь моя цель - спроектировать преобразователь и его трансформатор так, чтобы максимальный рабочий цикл 50% соответствовал половине допустимого пикового тока, что даст мне достаточный запас. Теперь, когда у нас есть эти уравнения, мы можем подставить некоторые числа и определить соотношение витков.

• Входные значения:
  • Максимальное V(In) = 240 В AC RMS
  • f = 62 кГц, D(max) = 0.5 (на основе среднего значения из технического описания)
  • D(целевое) = 0.3 (выбрано по дизайну)
  • I(pk, первичная) = 0.385 А, I(сред, первичная) = 0.116 А
  • Прямое напряжение диода Шоттки: V(диод) = 0.5 В
  • V(выход) = 3.3 В
• Выходные значения
  • На основе D(целевое), Np/Ns = 19.17
  • I(pk, вторичная) = 8.45 А, I(сред, вторичная) = 2.54 А
  • L(s,max) = 3.02 мкГн

Исходя из этих данных, дизайн является жизнеспособным, и преобразователь не должен иметь проблем с обеспечением нашего целевого выходного тока, если мы сможем достичь целевых индуктивностей катушек. Теперь нам нужно обратить внимание на сердечник и каркас, чтобы убедиться, что целевые индуктивности достижимы.

Готовые сердечник и каркас

Теперь, когда мы знаем целевую индуктивность и соотношение витков, мы можем начать выбор сердечника и каркаса для построения трансформатора. Как я упоминал выше, более высокий выходной ток ограничит выбор провода для намотки катушки, поэтому это, безусловно, будет важным фактором при выборе сердечника и каркаса.

На этом этапе вы можете свободно искать в интернете наборы сердечника и каркаса, которые помогут вам достичь вашей целевой индуктивности. Рекомендуемые Texas Instruments каркас, сердечник и ёклы:

• Каркас (КОЛ-ВО 1): B66418W1008D001
• Сердечник E-типа с воздушным зазором (КОЛ-ВО 2): B66417U0250K187 или Сердечник E-типа без воздушного зазора (КОЛ-ВО 2): B66417G0000X149 с двумя слоями намотки
• Ёкл (КОЛ-ВО 2): B66418B2000X000

В техническом описании сердечника вы найдете характеристику, называемую фактором индуктивности. Фактор индуктивности фактически сообщает вам индуктивность на количество витков вокруг сердечника, предполагая, что вы используете рекомендуемый каркас. Исходя из указанного выше соотношения витков и требований к току, мы могли бы использовать провод AWG 26 с 3 витками для вторичной катушки и провод AWG 30 с 57 витками для первичной катушки (намотанными в 2 слоя провода). Это дает:

• L(s) = 2.25 мкГн
• L(p) = 812.25 мкГн

Эти значения немного ниже рекомендованных Texas Instruments значений из WEBench, но они находятся в пределах типичных допусков индуктивности намотки для трансформатора, поэтому я считаю их допустимыми для дизайна с разрывным режимом работы. Если бы вы хотели изменить режим работы на непрерывный, вам бы потребовалось всего 2 дополнительных витка на вторичной стороне. Это также снизило бы плотность магнитного потока на вторичной стороне.

Дополнительная проверка

Один из этапов проверки заключается в определении, не приведет ли выбранный вами диаметр провода к переполнению катушки. Используя диаметр оболочки вашего провода, рассчитайте общее расстояние, охватываемое витками. Если это число превышает длину вашей катушки, тогда вам нужно использовать более крупную катушку или провод меньшего диаметра. Последнее может потребовать от вас снижения допустимого тока на вторичной стороне, чтобы снизить температуру.

Последняя проверка будет сравнением плотности потока с насыщающим потоком в материале вашего сердечника. Здесь очень важна поддержка поставщика материала сердечника, поскольку эти значения не всегда указываются в техническом описании. При насыщении эффективность начинает сильно снижаться, поэтому вам нужно убедиться, что плотность вашего потока ниже плотности насыщения. Это одна из причин, по которой мы на самом деле хотим иметь больше витков в катушке, а не меньше. Мы также можем захотеть использовать материал сердечника с меньшей проницаемостью, поскольку это также снижает плотность потока.

Когда вы хотите построить стабильные и надежные энергосистемы, используйте полный набор функций проектирования печатных плат и мирового класса инструменты CAD в Altium Designer®. Для реализации сотрудничества в современной междисциплинарной среде инновационные компании используют платформу Altium 365™ для легкого обмена данными проектирования и запуска проектов в производство.

Мы только коснулись поверхности возможностей Altium Designer на Altium 365. Начните ваш бесплатный пробный период Altium Designer + Altium 365 сегодня.