變壓器的熱設(shè)計(jì)處理
報(bào)告人：張敏
第一部分：變壓器強(qiáng)化散熱的措施
1 線圈線徑增加
由于線圈的發(fā)熱量與其電阻的大小成正比，Pcu = I2 Rcu ，若平板式線圈厚度增加一倍的話，電阻會(huì)減小一倍，功耗也會(huì)減小一倍。所以從設(shè)計(jì)的角度來(lái)講，采取措施減小線圈電阻的方法是解決線圈散熱問(wèn)題一個(gè)不錯(cuò)選擇。但同時(shí)，線徑的增加（特別是副線圈）就意味著變壓器體積的增加，成本的增加。
對(duì)于線圈，其電阻表達(dá)式為：R = k· L/S
可見(jiàn)，減小線圈電阻的方法：減小線圈長(zhǎng)度；增加線圈截面積；
由于次種方法可能會(huì)引起變壓器的體積的變化，所以主要適用于變壓器的設(shè)計(jì)階段。當(dāng)進(jìn)氣口沒(méi)有送氣風(fēng)扇時(shí)，適當(dāng)考慮增加原副線圈線徑及鐵心尺寸。下表是7151 Lp的變壓器的原線圈在加厚后和無(wú)變化的溫升結(jié)果，可以看出，溫升有明顯的改善。
| channel | Temperature1 | Temperature1 | |
| Ambient t℃ | |||
| Copper coil T℃ | 2 | 75.1 | 68.1 |
| Coil pin in PCBT℃ | |||
| Fan （outlet）T℃ | 3 | ||
| core T℃ | 6 | 73.0 | 57.4 |
2 Pin腳加粗，增加焊接性
在變壓器的原線圈中，Lead 線和Pin腳電阻所占的原線圈電阻的很大部分，變壓器在實(shí)際工作中，也經(jīng)常因此而發(fā)生焊錫融化，燒PCB板等現(xiàn)象。為解決此類問(wèn)題，主要的方法還是減少Pin電阻，如加粗Pin的直徑等，降低Pin發(fā)熱量；再者增加Pin腳與銅箔的焊接性，以次降低接觸電阻，降低發(fā)熱量。下表是改善前和改善后(在銅箔上將三Pin連接加錫，由于Pin加粗無(wú)法進(jìn)行)的溫升數(shù)據(jù)。
| component | channel | Temperature1 | Temperature1 |
| Ambient t℃ | 2 | 26.2 | 25.4 |
| Copper coilT℃ | 3 | 42.0 | 40.0 |
| Coil pin in PCBT℃ | 4 | 68.0 | 62.0 |
| Fan (outlet)T℃ | 5 | 10.1 | 10.2 |
| coreT℃ | 6 | 35.6 | 36.0 |
3 增加風(fēng)道
由上述，為變壓器增加適當(dāng)之風(fēng)道，以次增加對(duì)流換熱系數(shù)，甚至是減少空氣紊流度，減小流動(dòng)阻力，特別是位于進(jìn)氣口附近時(shí)，還可以增加進(jìn)氣量，降低系統(tǒng)溫升。下表為改善前和改善后的溫升結(jié)果。
| component | channel | Temperature1 | Temperature1 |
| Ambient t℃ | 2 | 25.3 | 28.0 |
| Copper coilT℃ | 3 | 48.4 | 41.5 |
| Coil pin in PCBT℃ | 4 | 69.7 | 68.6 |
| Fan (outlet)T℃ | 5 | 11.4 | 10.8 |
| coreT℃ | 6 | 43.5 | 40.4 |
4 變壓器下方PCB上打孔
通過(guò)在PCB上打孔，可以減少空氣流過(guò)線圈下表面時(shí)的阻力，增加流過(guò)線圈表面的空氣流量；再者，氣流通過(guò)開(kāi)孔，可以增加流過(guò)PCB板的空氣流量。下面是一組對(duì)比的溫升數(shù)據(jù)：(PFC載1600W)
| component | channel | Temperature1 | Temperature1 |
| Ambient t℃ | 2 | 28.0 | 26.3 |
| Copper coilT℃ | 3 | 41.5 | 38.8 |
| Coil pin in PCBT℃ | 4 | 68.6 | 60.1 |
| Fan (outlet)T℃ | 5 | 10.8 | 10.4 |
| coreT℃ | 6 | 40.4 | 38.7 |
總的來(lái)講，一旦變壓器的設(shè)計(jì)完成以后，設(shè)計(jì)改進(jìn)的空間很小，所以在設(shè)計(jì)階段，最好不予考慮，備用。
第二部分：變壓器的Thermal design
由于Converter變壓器工作效率一般為99%左右，所以當(dāng)負(fù)載功率越大，變壓器的損耗功率也越大，當(dāng)功率小的時(shí)候，還可以靠系統(tǒng)風(fēng)扇來(lái)散熱，但功率大到一定程度的時(shí)候，靠靠系統(tǒng)風(fēng)扇來(lái)散熱的話溫升就會(huì)偏高，這時(shí)就要考慮在其前面加一個(gè)風(fēng)扇來(lái)進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流散熱。
由于變壓器的散熱模型比較復(fù)雜，理論推算基本上誤差非常大，已經(jīng)很難滿足工程計(jì)算要求，唯一的選擇就是：CFD。通過(guò)建立CFD熱流模型，來(lái)求解變壓器的溫升，以次確認(rèn)選用的風(fēng)扇。用CFD軟件對(duì)變壓器處理的步驟一般如下：
1，先建立Compact Model，得出變壓器工作時(shí)的熱邊界條件；
2，再建立詳細(xì)的熱模型，并引入其邊界條件；
3，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析判斷。
反復(fù)以上步驟，直到變壓器溫升滿足Class B的70℃要求。
為了縮短CFD simulation的時(shí)間，減少反復(fù)步驟?，F(xiàn)在將整個(gè)過(guò)程變?yōu)橐韵虏襟E：
1．建立詳細(xì)變壓器thermal Model.
2．求解出變壓器的溫升與環(huán)境氣流流速關(guān)系曲線，選定符合溫升要求的某一流速范圍作為設(shè)計(jì)流速范圍。
3．在系統(tǒng)compact model中，用不同的風(fēng)扇性能曲線進(jìn)行求解計(jì)算，找出流速比較符合的那款風(fēng)扇。
4．在按照一般步驟進(jìn)行，驗(yàn)證選用的風(fēng)扇。
本文以7171LP為例：
第一步，建立變壓器的CFD的詳細(xì)CFD model.
第二步，求解環(huán)境空氣流速與變壓器溫升的關(guān)系曲線
由此曲線可見(jiàn)，在流速0.5m/s~2m/s的階段，增加流場(chǎng)流速可以使溫升得到明顯的改善，但此后隨著流速的增加，溫升降低的趨勢(shì)減弱。這就預(yù)示著：如果增加進(jìn)氣風(fēng)扇，能很有效的降低變壓器的溫升(因?yàn)樵黾恿肆鬟^(guò)變壓器的空氣流速)，但是，當(dāng)風(fēng)扇的流量增加到一定程度時(shí)，效果就越來(lái)越不明顯。
此時(shí)選定1.2~1.6m/s作為設(shè)計(jì)流速范圍。
第三步：在系統(tǒng)CFD模型中，用不同的風(fēng)扇曲線求解出各種不同的流場(chǎng)，確定合適的風(fēng)扇。
第四步，代入邊界條件，求解得出變壓器的溫升。
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