[發明專利]一種反激式開關電源的變壓器屏蔽層設計方法

有效

• 申請號: 201610092265.8
• 申請日: 2016-02-18
• 公開（公告）號: CN105609300B
• 公開（公告）日: 2017-06-16
• 發明（設計）人: 陳恒林;肖記
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01F41/00
• 分類號: H01F41/00;H01F27/36
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司33224
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本發明屬于變壓器設計技術領域，具體涉及一種反激式開關電源的變壓器屏蔽層設計方法。

背景技術

反激式開關電源由于具有隔離功能，廣泛應用于通信、服務系統和小功率電子設備中。這些設備都需要滿足相關的電磁兼容(EMC)標準，因此開關電源產品設計中往往有一定的電磁干擾(EMI)濾波措施。而伴隨著開關器件越來越好的開關特性，高的dv/dt和di/dt帶來嚴重的EMI問題。這些嚴重的EMI問題一方面會使電源產品難以達到相關EMC標準，另一方面即使達到相關EMC標準，有時也會在較敏感的負載側形成共模噪聲，對電子負載造成嚴重干擾。

采用濾波器對共模干擾進行抑制可以降低EMI水平，但卻增加了電源裝置的體積和重量。如圖1所示，反激式開關電源的共模干擾源包括原邊MOSFET和副邊二極管，由于二者產生的共模電流方向相反，設計合適的屏蔽層可以抵消變壓器中的共模電流，從而在不增加濾波器體積和重量的情況下降低共模噪聲的水平。

變壓器中的屏蔽層物理參數主要包括屏蔽層長度L_sh、寬度W_sh和厚度T_sh，當屏蔽層置于變壓器中時，其物理參數還包含屏蔽層的位置H(即屏蔽層底端與原邊繞組底端之間的距離)，如圖2(a)～圖2(c)所示。屏蔽層的設計方法主要是指對這四個物理參數的設計方法。

若不使用屏蔽層，由于原邊MOSFET與副邊二極管產生的共模電流并不相等，變壓器中的共模電流無法抵消，則負載側的共模噪聲水平較高。若使用傳統的屏蔽層(即W_sh＝W_p)對整個變壓器繞組窗口進行屏蔽，則可以對MOSFET產生的共模電流大幅抑制，但卻無法有效抑制二極管產生的共模電流，變壓器中總的共模電流仍然較大。若屏蔽層的寬度或長度不足以覆蓋整個繞組窗口，則原副邊的共模電流均不為零，但方向相反，在變壓器中抵消，變壓器中總的共模電流則會小于不使用屏蔽層或使用傳統屏蔽層時的共模電流。理論上，固定好屏蔽層的寬度、厚度和位置，適當調整長度；或者固定好屏蔽層的長度、厚度和位置，適當調整寬度均可以使變壓器中的共模電流最小，從而將負載側的共模噪聲抑制到最低水平，但如何定量設計這些指標卻是業內長期難以很好實現的課題。

發明內容

為了克服現有技術對共模干擾抑制不足的技術問題，本發明提供了一種反激式開關電源的變壓器屏蔽層設計方法，該方法不會增加濾波器設計的負擔，整個設計過程采用仿真和計算，不會增加額外的成本。

一種反激式開關電源的變壓器屏蔽層設計方法，包括如下步驟：

(1)測量獲取變壓器的結構參數及電氣參數，并初始化設定變壓器屏蔽層的位置；

(2)利用有限元分析軟件仿真出在不同屏蔽層寬度W_sh下變壓器中相鄰原副邊繞組之間的結構電容以及副邊繞組與屏蔽層之間的結構電容；

(3)根據仿真得到的上述結構電容，計算不同屏蔽層寬度W_sh下變壓器中的共模評估等效電容C_k(total)，進而繪制得到關于W_sh-C_k(total)的特征曲線；

(4)判斷所述的特征曲線在坐標系中是否與軸線C_k(total)＝0有交叉：若是，則使該交叉點所對應的屏蔽層寬度以及當前的屏蔽層位置組合作為抑制變壓器共模電流的最佳屏蔽層設計方案；若否，則調整屏蔽層位置并返回執行步驟(2)，直至得到的特征曲線在坐標系中與軸線C_k(total)＝0交叉。

在對變壓器屏蔽層設計之前，設定屏蔽層的長度為其圓周長，屏蔽層的厚度則根據其實際所選用的材料厚度而定，故這兩個參數均事先選定為常數。

所述的步驟(3)中通過以下公式計算變壓器中的共模評估等效電容C_k(total)：

其中：C_kj為變壓器中第j對相鄰原副邊繞組之間的等效電容評估值，n為變壓器中相鄰原副邊繞組的對數。

變壓器中任一對相鄰原副邊繞組之間等效電容評估值C_k的表達式如下：