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.
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。
第四步，代入边界条件，求解得出变压器的温升。
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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