變壓器的熱設計處理
報告人：張敏
第一部分：變壓器強化散熱的措施
1 線圈線徑增加
由于線圈的發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，電阻會減小一倍，功耗也會減小一倍。所以從設計的角度來講，采取措施減小線圈電阻的方法是解決線圈散熱問題一個不錯選擇。但同時，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。
對于線圈，其電阻表達式為：R = k· L/S
可見，減小線圈電阻的方法：減小線圈長度；增加線圈截面積；
由于次種方法可能會引起變壓器的體積的變化，所以主要適用于變壓器的設計階段。當進氣口沒有送氣風扇時，適當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變化的溫升結果，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，變壓器在實際工作中，也經常因此而發生焊錫融化，燒PCB板等現象。為解決此類問題，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加粗無法進行)的溫升數據。
| 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 增加風道
由上述，為變壓器增加適當之風道，以次增加對流換熱系數，甚至是減少空氣紊流度，減小流動阻力，特別是位于進氣口附近時，還可以增加進氣量，降低系統溫升。下表為改善前和改善后的溫升結果。
| 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
通過在PCB上打孔，可以減少空氣流過線圈下表面時的阻力，增加流過線圈表面的空氣流量；再者，氣流通過開孔，可以增加流過PCB板的空氣流量。下面是一組對比的溫升數據：(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 |
總的來講，一旦變壓器的設計完成以后，設計改進的空間很小，所以在設計階段，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，所以當負載功率越大，變壓器的損耗功率也越大，當功率小的時候，還可以靠系統風扇來散熱，但功率大到一定程度的時候，靠靠系統風扇來散熱的話溫升就會偏高，這時就要考慮在其前面加一個風扇來進行強制對流散熱。
由于變壓器的散熱模型比較復雜，理論推算基本上誤差非常大，已經很難滿足工程計算要求，唯一的選擇就是：CFD。通過建立CFD熱流模型，來求解變壓器的溫升，以次確認選用的風扇。用CFD軟件對變壓器處理的步驟一般如下：
1，先建立Compact Model，得出變壓器工作時的熱邊界條件；
2，再建立詳細的熱模型，并引入其邊界條件；
3，對結果進行分析判斷。
反復以上步驟，直到變壓器溫升滿足Class B的70℃要求。
為了縮短CFD simulation的時間，減少反復步驟。現在將整個過程變為以下步驟：
1．建立詳細變壓器thermal Model.
2．求解出變壓器的溫升與環境氣流流速關系曲線，選定符合溫升要求的某一流速范圍作為設計流速范圍。
3．在系統compact model中，用不同的風扇性能曲線進行求解計算，找出流速比較符合的那款風扇。
4．在按照一般步驟進行，驗證選用的風扇。
本文以7171LP為例：
第一步，建立變壓器的CFD的詳細CFD model.
第二步，求解環境空氣流速與變壓器溫升的關系曲線
由此曲線可見，在流速0.5m/s~2m/s的階段，增加流場流速可以使溫升得到明顯的改善，但此后隨著流速的增加，溫升降低的趨勢減弱。這就預示著：如果增加進氣風扇，能很有效的降低變壓器的溫升(因為增加了流過變壓器的空氣流速)，但是，當風扇的流量增加到一定程度時，效果就越來越不明顯。
此時選定1.2~1.6m/s作為設計流速范圍。
第三步：在系統CFD模型中，用不同的風扇曲線求解出各種不同的流場，確定合適的風扇。
第四步，代入邊界條件，求解得出變壓器的溫升。
Icepak資料下載: FLUENT第一屆中國用戶大會論文集33-40.pdf
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