BMS数字隔离器中推挽式电源变压器的应用和设计

黄家毅

（东莞铭普光磁股份有限公司，广东 东莞 523000）

0 引 言

随着全球各国家应对气候变化，减少燃油汽车尾气对环境破坏以及推动绿色能源的发展，全球许多国家都计划在今后几十年内停止燃油汽车的生产和销售，大力推广和加快新能源汽车行业发展。目前最流行的是纯电动汽车（EV）、混合动力汽车（HEV/PHEV）这两种新能源汽车。在国家新能源汽车战略推动下，本土汽车品牌都在开发自家电动或混动系统技术，如比亚迪DM-i混动系统、吉利Hi·X混动系统、奇瑞ET-i超混系统等。电池管理系统（Battery Management System，BMS）和发动机控制单元、ABS控制单元等与汽车行驶直接相关的系统一般是独立的电气控制系统，它们之间的通信需要电气隔离，因此必须用到数字隔离器。由于CMOS数字隔离器具有高传输速率，良好EMI，低CMTI以及高可靠性特性，因此适用于纯电或混动的新能源汽车。数字隔离器内部集成隔离电源，外置正激电源转换器和隔离器，集成变压器驱动IC、信号隔离功能的芯片和供电的隔离反激励变压器。汽车电池管理系统高低压隔离通信与隔离电源的两种主要方案为：（1）数字隔离器内部集成隔离电源；（2）数字隔离器和外置变压器的隔离电源。其中芯科科技的Si88x2x系列数字隔离器，德州仪器 （TI）隔离CAN解决方案的ISO1050数字隔离器都需要外置变压器[1,2]。采用变压器不仅可以灵活调整电压，还有利于系统的EMC 调试和可靠性提升。本文基于ISO1050数字隔离方案中所使用推挽变压器的安规和电气设计进行详细论述。

1 安全标准

关于隔离器中电源变压器的安规要求，参考各国安规标准，并以IEC62368-1为主要标准，给出对于数字隔离器中的电源变压器爬电距离和电气间隙的具体数值说明[3-5]。接入220 V交流电网设备或300～600 V有效电压的设备，瞬态过电压值是2 500 V，对于基本绝缘抗电强度为2.5 kV，最小爬电距离为3.2 mm，最小电气间隙1.5 mm。如果需要加强隔离5.0 kV，至少需要6.4 mm的爬电距离，最小电气间隙8.0 mm，推荐8.0 mm爬电距离和电气间隙为设计准则。而对于出厂耐压测试要求则为：基本绝缘为2.5 kV，加强绝缘为5 kV，持续3～6 s。

2 推挽式隔离电源变压器电性能设计

2.1 推挽变换器的工作原理

全波整流输出推挽变换拓扑以及循环工作示意如图1所示。它由两个开关管S1和S2、一个初级和次级均带有中心抽头的变压器、整流二极管VD1和VD2以及储能滤波电容等组成。工作时通过输入的相差180°的矩形脉冲波来驱动S1和S2交替导通，原边绕组传递能量到副边NS1和NS2交替输出。

图1 全波整流输出推挽变换拓扑以及循环工作

2.2 磁芯材质选择和工作磁通密度的确定

高频推挽变压器磁芯材质选取高初始磁导率和低损耗的铁氧体。高磁导率获得更高电感值，可使其的励磁电流小，低损耗可以更高效率和更小温升。最合适材质就是功率 MnZn铁氧体。按照笔者经验对于小功率情况（3 W或以下），也可以选择5 k、7 k、10 k 高磁导率材质的磁环。通常情况下，一般功率MnZn铁氧体高温100℃饱和磁通密度为0.39 T，则线性区域小于0.30 T。在推挽电路中，为了防止磁芯的动态饱和，在小于300 kHz的工作磁感应强度控制不能超过0.2 T。为了保持磁芯功耗值，对于工作磁通密度应该随频率升高而下降。对于应用在数字隔离器中对应电源芯片工作频率为300～600 kHz，推挽类小功率在工作频率超过300 kHz情况中, 工作磁通密度选取原则为磁芯体积功耗Pcv=100～150 mW/cm3对应的磁通密度，一般为30～50 mT。

2.3 温升和损耗

变压器在工作的过程中产生磁芯损耗和铜耗从而导致温度上升。绝缘材料的寿命随着温度增加呈指数级快速下降，当工作温度每超过材料极限温度10 ℃，寿命平均缩短大概1/2[6]。那么在对于合理温升设计才能保证变压器的寿命以及极低失效率。由于变压器内部最高温度绝缘材料限制，重点考虑绕组最高温度，一般环境温度最高为85 ℃，变压器温升一般小于40 ℃（对于125 ℃等级）。

2.3.1 温升估算

目前工程最常用热阻计算方法，温升△T（℃）和损耗P（W）的关系为：

式中，△T为温升，℃ ；P为功耗，W；Rth为热阻，℃/W。

热阻取决于材料的辐射表面和变压器本身的耗散功率，还有空气对流情况。如果磁芯和线圈直接接触情况，该器件的功耗则是包括磁芯损耗和铜线的损耗。如果没有直接接触，则需要分开计算，那么磁芯温升为：

磁芯热阻Rth_core对于磁芯表面积60～6 000 mm2，一般取值60～100 ℃/W，温升估值在16～25 ℃。

线圈部分温升为：

铜热阻Rth_cu一般取值180～250 ℃/W，对于线圈表面积30～300 mm2范围，温升估值在20～25 ℃。

2.3.2 磁芯损耗

对于方波，从法拉第定律得出的变压器电压U方程为：

式中，Ae是有效截面积，m2；U是施加在线圈上的电压（V）的有效值；f为脉冲方波频率，Hz；N是匝数。该方程适用于方波（△t=半个周期）。

对于知道工作电压和匝数，则可以在特定工作频率下f，通过式（4）得到Bm为：

查对应的材质功耗曲线得到在特定Bm和f下的单位体积功耗PCV，变压器的磁芯损耗Pcore为：

2.3.3 线圈损耗

在开关电源中推挽变压器中原边和副边电流都是梯型波电流，如图2所示。下面定义原边电流波形中值为Ipa及峰值Ip、直流平均值Ipdc、交流分量有效值电流Ipac和总有效值Iprms；开关管导通时间定义为Ton，周期为T，峰值电流为Ip，脉动分量为△i；占空比D=Ton/T，按照图2中关系进行原边电流计算。副边无论是直流、交流或者有效电流计算则通过原边对应的电流除以匝比n（n=NS/NP）。

图2 梯形波电流及对应电流计算等式

变压器的铜损Pcu（W）则为：

式中，Rpdc为原边NP1或NP2的直流电阻，Rpac为原边NP1或NP2的交流电阻，Rsdc为原边NS1或NS2的直流电阻，Rsac为原边NS1或NS2的交流电阻。

2.4 磁芯选择

根据AP面积乘积法来初选磁芯尺寸，AP为变压器磁芯有效截面积Ae与窗口面积Aw的乘积[7]。推挽式变压器AP计算如下：

式中，Bm为磁通密度单位，T；J为电流密度单位，A/cm2，小功率情况电流密度取值700～1200（A/cm2）。

2.5 变压器匝数计算

（1）变压器最小匝比nmin

式中，Us-min为变压器输出端绕组最小输出电压，V；UP-min为变压器输入两端的最小电压，V；η为变压器传输效率，一般在94%～98%。

（2）原边匝数NP

最大占空比Dmax理论值为0.5，为保证一个周期内磁芯顺利复位，Dmax一般取值在0.45～0.495，则变压器的原边绕组匝数计算如下：

式中，Ton为开关导通时间，s；Ae为磁芯中柱截面积，m2；Bm为在工作磁通密度，T。

（3）副边匝数NS

3 推挽式隔离电源变压器设计应用实例

基于TI的隔离CAN解决方案，见图3（a），需要搭建外包含了SN6501-Q1芯片，带中心抽头的变压器以及低压差线性稳压器（LDO）的推挽式5 V转5 V隔离电源。

3.1 电源系统参数

如图3（b）所示的推挽变换器电路拓扑图，主要参数如下：输入电压Uin/电流Iin为5 V±5% /0.35 A ；输出电压Uo/电流Io为5 V±5%/ 0 ～0.35 A；开关频率fs为 300 kHz～610 kHz，典型工作频率为410 kHz。

图3 TI数字隔离器方案电路原理图

3.2 磁芯选择和骨架选择

根据变压器设计AP 法来初步选择磁芯尺寸：

式中，Bm取值0.05T，J为电流密度700 A/cm2，开关频率取值410 kHz。

选择磁芯ER9.5（EC9.5）其有效Ae为11.95 mm2，ER9.5配套骨架ER9.5的窗口面积为2.94 mm2，得到AP=11.95×2.94=0.003 513 3 cm4＞0.002 415 cm4。铁氧体磁芯视为导体，如图4所示得到电气间隙CL=2.3+2.3=4.6 mm，爬电距离CR=2×（1.5+0.5）=4 mm，超过基本绝缘的最小要求：电气间隙1.5 mm，爬电距离3.2 mm。

图4 ER9.5骨架图及其变压器的爬电距离和电气间隙

3.3 变压器匝比n 计算

该类型变压器典型工作效率η一般大约为97%。Us-min为变压器最小输出电压，减去整流二极管最大压降UF-max和稳压器最大压降UDO-max，还能维持最小输出电压Uo-min，则Us-min为Us-min=UF-max+UDO-max+Uo-min=0.2+0.2+4.75=5.15（V）变压器最小输入电压UP-min则是由变换器最小输入电压UIN-min减去开关管导通时最大压降UDS-max，查询 SN6501数据表得到[8]：UDS-max=RDS-max×IDmax=0.35 A×2Ω=0.7（V） 则UP-min=UIN-min-UDS-max=0.95×5-0.7=4.05（V）

为了方便调整绕组，这里匝比取值n=1.5。

3.4 变压器绕组匝数计算

（1）原边匝数NP=NP1=NP2

取NP=8＞NP_min

（2）副边匝数NS

3.5 绕组导体直径计算

考虑高频下导体的集肤效应，在典型410 kHz工作频率下铜线的集肤深度Δ为：

允许采用的导线最大线径小于两倍的集肤深度0.206 mm，那么导体直径≤0.20 mm。

原边绕组线径计算，原边绕组中值电流：

原边绕组有效电流Iprms为：

其中导线电流密度取J=12 A/mm2。对于小功率变压器8 W以下，通常绕组铜线比较长时（＞1 m）,线圈电流密度取8～10 A/mm2；当铜线长度较短时，线圈电流密度取12～18 A/mm2。

副边（NS1=NS2）绕组线径的计算：

3.6 绕组结构及绕制

变压器要符合基本绝缘，原边或副边至少一侧绕组需要选择绝缘线（单层绝缘线或FIW线），根据绕组空间要求以及式（22）、式（24）计算值，原边选择直径φ0.17 mm H级的漆包线，副边则选直径φ0.15 mm F级的单层绝缘线。变压器采用中心抽头式，原边双线并绕8匝，占据两层，隔离胶带1圈，然后双线并绕12 匝，占据3层，再包两圈胶带，如图5所示。

图5 ER09变压器的绕组结构示意图

3.7 计算变压器损耗和温升

（1）磁芯损耗计算

查对应材质功耗曲线得到Bm=32 mT和400 kHz（没有410 kHz曲线参照400 kHz）的单位体积功耗PCV为30 mW/cm3和ER9中有效体积为0.255cm3，可求得磁芯损耗。

（2）铜损计算

原边NP1或NP2绕组铜导体线长为：

原边NP1或NP2绕组铜导体横截面积为：

原边NP1或NP2绕组直流电阻为：

通过交直流电阻比FR=Rac/Rdc求绕组交流电阻。

式中，Dp'为包括漆包膜的直径取值0.185 mm，△为410 kHz下的集肤深度。

查道威尔（Dowell）图，当横坐标Q=0.66，从图5可知Np1=Np2的线圈层数m= 2，查询得到FR=Rac/Rdc≈1.1，那么得到原边交流410 kHz的电阻为：

使用上述方法可得副边的直流和交流电阻（查道威尔图，Q=0.49，线圈层数m= 3，可得FR≈1.2）：

综上可计算410 kHz频率下的铜损Pcu：

（3）线圈和磁芯温升

线圈和磁芯温升分别为：

线圈估算温升5.5 ℃远远小于20 ℃设计目标。磁芯温升0.6 ℃远远小于20 ℃设计目标。

（4）变压器效率η

计算得到效率为97.94%，这个和上文中开始估算的97% 很接近，符合预期。

4 变压器参数测试

变压器各绕组直流、交流电阻测试值如表1所示，交流电阻原边计算值为107 mΩ，实测平均值约为113 mΩ，而副边交流电阻计算值为280 mΩ，实测平均值约为295 mΩ。计算和实测几乎完全一致。

表1 变压器各绕组直流/交流电阻测试

变压器磁芯损耗测量分别在常温25 ℃和高温85 ℃环境温度，以100 kHz步进从200 kHz到600 kHz的频率，测量不同工作磁通密度下变压器磁芯损耗[9]。测试数据见表2，通过查对应的材质功耗曲线计算得到功耗为7.65 mW，而测试Bm=30 mT和400 kHz@25℃功耗为7.55 mW，计算和实测几乎相等。

表2 变压器磁芯损耗测试值

变压器绕组施加直流电，使用热电偶测试副边绕组的温升，测试结果见图6。热阻取值200 ℃/W，通过式（2）可得0.6 A、0.8 A的温升分别为 16.56 ℃、29.44 ℃，实测值为15.6 ℃和28.5 ℃，工程估算和实测是很接近，为温升估算提供重要的参考。

图6 变压器温升测试曲线

5 结 论

本文详细论述了适用于汽车BMS 数字隔离器的推挽式DC-DC 转换器中电源变压器的基本应用、安规要求和电气设计的方法，并以适用于TI数字隔离器方案中ER磁芯类的推挽式变压器为实例给出详细设计和验证过程，为电源或同行开发提供了一种同类型变压器设计方法作为参考。