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AC/DC

採用AC/DC PWM方式的返馳式轉換器設計方法

設計絕緣型返馳式轉換器電路:設計變壓器(設計構造)-之1

6A_ckt_t1在算出前項的數值後,接著進入設計變壓器T1構造的階段。對平時只有設計電子零件的人們來說,組合鐵芯和線軸、線圈,且必須具備經驗法則的設計變壓器,簡直就像是異世界一樣。而且,變壓器是電源設計,尤其是AC/DC轉換器、絕緣轉換器非常重要的零件,因此至少要理解其步驟和進行討論。

依下列順序設計變壓器T1的構造。

①決定線軸
②確認有效捲軸
③決定線圈構造
④沿面距離和絕緣膠帶
⑤決定線材
⑥配線圖、層構造、線圈規格
⑦決定變壓器規格

本節「之1」將說明①~④,下一節「之2」則說明⑤~⑦。

鐵芯 JFE MB3 EER28.5A 或替換品
Lp 249μH
Np 30圈
Ns 6圈
Nd 8圈

① 決定線軸

線軸如圖所示,分成直立式和橫式(有的因為鐵芯尺寸,只能選擇其中一種)。依照高度和安裝面積來決定使用哪一種。

另外,引腳數也是考量因素之一。表格內是利用計算數值項目所計算出來的圈數。我們選擇只捲繞表格線圈數的引腳數。

6A_bobin

 

② 確認有效捲軸

接著,從線軸的規格來取得有效捲軸。紅色箭頭所指的圖片斜線部分,是實際上能夠捲覆線圈的區域。這個區域會因為線軸而異,因此請利用所用線軸的圖面仔細確認。

6A_bobin_fig6A_bobin_photo

照片是實物,紅色箭頭部分為有效捲軸。此次選擇的鐵芯、JFE EER28.5為J=16.6mm、H=4mm。

③ 決定線圈構造

線圈構造會對變壓器特性造成很大的影響。在此將介紹2種構造。

6A_bobin_1

<簡易構造>

  • 層數少 → 具成本優勢
  • 連結度差 → 突波電壓上升、損耗增加
  • 線軸引腳數 → 較少
6A_bobin_2

<三明治捲構成>

  • 層數少 → 注意各線圈的厚度
  • 連結度優 → 降低突波電壓、損耗減少
  • 線軸引腳數 → 變多

左側是最為簡單的構造。層數少具有成本優勢,但各線圈只有1層,連捲數多達34圈的Np線圈排成1列都無法整個包住,必須排成2列和3列,造成連結度不佳。
引腳數單側4個即可。此一構造適合用在輸出功率小,以及限制線軸引腳數單側4個的時候。

右側是稱為三明治捲的構造,利用一次側線圈Np1和Np2包夾其他線圈,能提升一次側線圈和其他線圈的連結度。但由於層數增加,捲軸厚度必須跟著增加,造成線圈引腳數最少單側5個。

其實線圈構造並沒有所謂正確的答案。追加其他特性時,應該花費一些時間試作,實際演練,在基本配線上安裝其他零件,組成電路,並且一邊確認特性,一邊找出最適合的構造。

④ 沿面距離和絕緣膠帶

考量符合安全規範時,必須根據變壓器一次側-二次側之間的沿面距離,確保絕緣無虞。沿面距離根據運轉電壓、使用環境污染程度、所使用的材料來決定。使用絕緣膠帶亦是確保沿面距離的方法之一。

在變壓器T1符合安全規範IEC60950的前提下,算出下述條件的沿面距離。

  • 運轉電壓:300V
  • 污染程度:2
  • 材料群:Ⅲa(CTI<400)
  • 符合IEC60950的必要最低沿面距離
    基礎絕緣:3.2mm
    加強絕緣:6.4mm(基礎絕緣×2) ←此次設計採用加強絕緣
6A_tape
※此次設計的輸入電壓約270V,因此能從規範區段的250V和300V進行線性插補。

從250V:2.5mm、300V:3.2mm
270V變成2.78mm,取整數為3mm。
加強絕緣為2倍的6mm。

※使用直立式線軸時,上部並無延長線,因此沿面距離可以為1/2、3mm。

出現多個和規範相關的用語,在此僅概略述說一下。詳細內容請參照規範資料。

以污染度和CTI值決定沿面距離。

  1. 污染度(Pollution Degree)以使用機器的場所內,空氣中灰塵等污染的狀況來分,共分成1~4程度。
    • 污染度1:無污染或只產生乾燥、無法導電的污染。此種污染無任何影響。例如無塵室等場所內乾淨的空氣。
    • 污染度2:只產生一般、無法導電的污染。但可能因為濃縮暫時能夠導電。例如控制箱內的電子機器,以及使用家電、事務機的場所。
    • 污染度3:會產生具導電性的污染,或預期可能因為濃縮,而能夠導電的乾燥、非導電性污染。例加一般工廠內的環境
    • 污染度4:污染為具導電性的塵埃,或者會因為雨、雪等而持續導電的物質。例如室外等的環境。
  2. CTI(Comparative Tracking Index)比較留痕指數
    • 氯化銨0.1%的溶液以30s的速度滴下1滴、50滴後,都不會出現痕跡的最大電壓即為CTI值。
    • 根據CTI值分類成形材料(IEC 60664-1)
      材料群Ⅰ:CTI600以上
      材料群Ⅱ:CTI400以上600以下
      材料群Ⅲa:CTI175以上400以下
      材料群Ⅲb:CTI100以上175以下

    ※Ⅲa的線軸材料為一般常用的PM9820/住友Bakelite(苯酚)且 CTI < 400

接下來請接續「設計絕緣型返馳式轉換器電路:設計變壓器(設計構造)之2」。

重點:

・計算出數值後,進入具體設計變壓器構造的階段。

・計算出數值後,若能大略設計出構造,可望在變壓器廠商等的協助下,設計出最終版本。


PWM返馳式轉換器設計範例