变压器热设计处理

变压器热设计处理

---张敏/ 韵瑞电子（深圳）有限公司

第一部分：变压器强化散热的措施

1 线圈线径增加

由于线圈的发热量与其电阻的大小成正比， P cu = I 2 R cu ，若平板式线圈厚度增加一倍的话，电阻会减小一倍，功耗也会减小一倍。所以从设计的角度来讲，采取措施减小线圈电阻的方法是解决线圈散热问题一个不错选择。但同时，线径的增加（特别是副线圈）就意味着变压器体积的增加，成本的增加。 SimWe个人空间6qxW Y9nXFx

对于线圈，其电阻表达式为： R = k· L/S SimWe个人空间Q2iGa6h$Wc3_!I

可见，减小线圈电阻的方法：减小线圈长度；增加线圈截面积；

由于次种方法可能会引起变压器的体积的变化，所以主要适用于变压器的设计阶段。当进气口没有送气风扇时，适当考虑增加原副线圈线径及铁心尺寸。下表是 7151 Lp 的变压器的原线圈在加厚后和无变化的温升结果，可以看出，温升有明显的改善。 SimWe个人空间Gc0NW'T

2 Pin脚加粗，增加焊接性

在变压器的原线圈中， Lead 线和 Pin 脚电阻所占的原线圈电阻的很大部分，变压器在实际工作中，也经常因此而发生焊锡融化，烧 PCB 板等现象。为解决此类问题，主要的方法还是减少 Pin 电阻，如加粗 Pin 的直径等，降低 Pin 发热量；再者增加 Pin 脚与铜箔的焊接性，以次降低接触电阻，降低发热量。下表是改善前和改善后 ( 在铜箔上将三 Pin 连接加锡，由于 Pin 加粗无法进行 ) 的温升数据。 SimWe个人空间|%qYc5[3L ?Th

3 增加风道

由上述，为变压器增加适当之风道，以次增加对流换热系数，甚至是减少空气紊流度，减小流动阻力，特别是位于进气口附近时，还可以增加进气量，降低系统温升。下表为改善前和改善后的温升结果。 SimWe个人空间{lurzf/X

4 变压器下方PCB上打孔 SimWe个人空间U2tHr~f

通过在 PCB 上打孔，可以减少空气流过线圈下表面时的阻力，增加流过线圈表面的空气流量；再者，气流通过开孔，可以增加流过 PCB 板的空气流量。下面是一组对比的温升数据： (PFC 载 1600W)

总的来讲，一旦变压器的设计完成以后，设计改进的空间很小，所以在设计阶段，最好不予考虑，备用。 SimWe个人空间8Pzf$y;w ?]tNG+g

第二部分： 变压器的 Thermal design SimWe个人空间W2[1z(Z,^;Y8b

由于 Converter 变压器工作效率一般为 99% 左右，所以当负载功率越大，变压器的损耗功率也越大，当功率小的时候，还可以靠系统风扇来散热，但功率大到一定程度的时候，靠靠系统风扇来散热的话温升就会偏高，这时就要考虑在其前面加一个风扇来进行强制对流散热。

由于变压器的散热模型比较复杂，理论推算基本上误差非常大，已经很难满足工程计算要求，唯一的选择就是： CFD 。通过建立 CFD 热流模型，来求解变压器的温升，以次确认选用的风扇。用 CFD 软件对变压器处理的步骤一般如下：

1， 先建立 Compact Model ，得出变压器工作时的热边界条件；

2， 再建立详细的热模型，并引入其边界条件； SimWe个人空间H7N$B/}SL&?"@

3 ，对结果进行分析判断。 SimWe个人空间2r1UQj-w

反复以上步骤，直到变压器温升满足 Class B 的 70 ℃ 要求。 SimWe个人空间
~KE m.d

为了缩短 CFD simulation 的时间，减少反复步骤。现在将整个过程变为以下步骤： SimWe个人空间1Z4vw#M\Ha

1． 建立详细变压器 thermal Model.

2． 求解出变压器的温升与环境气流流速关系曲线，选定符合温升要求的某一流速范围作为设计流速范围。

3． 在系统 compact model 中，用不同的风扇性能曲线进行求解计算，找出流速比较符合的那款风扇。 SimWe个人空间0A)Z
MvH2{5v1L5S

4． 在按照一般步骤进行，验证选用的风扇。 SimWe个人空间5F'_Q;mXaLU

本文以 7171LP 为例：

第一步，建立变压器的 CFD 的详细 CFD model.SimWe个人空间,k0RJ0Brw

第二步，求解环境空气流速与变压器温升的关系曲线

由此曲线可见，在流速 0.5m/s~2m/s 的阶段，增加流场流速可以使温升得到明显的改善，但此后随着流速的增加，温升降低的趋势减弱。这就预示着：如果增加进气风扇，能很有效的降低变压器的温升 ( 因为增加了流过变压器的空气流速 ) ，但是，当风扇的流量增加到一定程度时，效果就越来越不明显。

SimWe个人空间,jvD6kcx[;A

此时选定 1.2~1.6m/s 作为设计流速范围。 SimWe个人空间O+];o&pA3|8E

第三步：在系统 CFD 模型中，用不同的风扇曲线求解出各种不同的流场，确定合适的风扇。 SimWe个人空间Gdwh t#V'W3KJ

 SimWe个人空间+@xZ4yHw`Y

7vqwiU4] fmS0第四步，代入边界条件，求解得出变压器的温升 。SimWe个人空间5}%]*w-JZfKy