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36.变压器的热设计处理

icepak Icepak 2011-10-19 15:07:52

变压器的热设计处理

报告人:张敏

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,Pcu = I2 Rcu ,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。

  对于线圈,其电阻表达式为:R = k· L/S

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。

  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。

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。

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 变压器下方PCB上打孔

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)

 

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

 

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。

第二部分:变压器的Thermal design

  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;

  3,对结果进行分析判断。

 反复以上步骤,直到变压器温升满足Class B的70℃要求。

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:

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。

4.在按照一般步骤进行,验证选用的风扇。

本文以7171LP为例:

第一步,建立变压器的CFD的详细CFD model.

 

使用Icepak仿真软件建立变压器的CFD的详细CFD model

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。

此时选定1.2~1.6m/s作为设计流速范围。

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。

Icepak仿真确定风扇

第四步,代入边界条件,求解得出变压器的温升。

Icepak仿真变压器的温升

 Icepak资料下载:  FLUENT第一届中国用户大会论文集33-40.pdf

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