開關(guān)電源高頻變壓器的設(shè)計(jì)

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1、2020/9/6,1,變壓器基礎(chǔ)知識(shí)1、變壓器組成：原邊繞組（初級(jí)primary side ） 副邊繞組（次級(jí)secondary side ） 原邊電感（勵(lì)磁電感）--magnetizing inductance漏感---leakage inductance副邊開路或者短路測(cè)量原邊電感分別得勵(lì)磁電感和漏感匝數(shù)比：K=Np/Ns=V1/V2 2、變壓器的構(gòu)成以及作用： 1）電氣隔離 2）儲(chǔ)能 3）變壓 4）變流,2020/9/6,2,高頻變壓器設(shè)計(jì)程序： 1.磁芯材料 2.磁芯結(jié)構(gòu) 3.磁芯參數(shù) 4.線圈參數(shù) 5.組裝結(jié)構(gòu) 6.溫升校核,2020/9/6,3,1.磁芯材料 軟磁鐵

2、氧體由于自身的特點(diǎn)在開關(guān)電源中應(yīng)用很廣泛。 其優(yōu)點(diǎn)是電阻率高、交流渦流損耗小，價(jià)格便宜，易加 工成各種形狀的磁芯。缺點(diǎn)是工作磁通密度低，磁導(dǎo)率 不高，磁致伸縮大，對(duì)溫度變化比較敏感。選擇哪一類 軟磁鐵氧體材料更能全面滿足高頻變壓器的設(shè)計(jì)要求， 進(jìn)行認(rèn)真考慮，才可以使設(shè)計(jì)出來(lái)的變壓器達(dá)到比較理 想的性能價(jià)格比。,2020/9/6,4,2.磁芯結(jié)構(gòu) 選擇磁芯結(jié)構(gòu)時(shí)考慮的因數(shù)有：降低漏磁和漏感， 增加線圈散熱面積，有利于屏蔽，線圈繞線容易，裝配 接線方便等。 漏磁和漏感與磁芯結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系。如果磁芯不需 要?dú)庀?，則盡可能采用封閉的環(huán)形和方框型結(jié)構(gòu)磁芯。,2020/9/6,5,2020/9/6,6

3、,3.磁芯參數(shù)： 磁芯參數(shù)設(shè)計(jì)中，要特別注意工作磁通密度不只是受磁化曲線限制，還要受損耗的限制，同時(shí)還與功率傳送的工作方式有關(guān)。 磁通單方向變化時(shí)：B=Bs-Br，既受飽和磁通密度限制，又更主要是受損耗限制，（損耗引起溫升，溫升又會(huì)影響磁通密度）。工作磁通密度Bm=0.60.7B 開氣隙可以降低Br,以增大磁通密度變化值B，開氣隙后，勵(lì)磁電流有所增加，但是可以減小磁芯體積。對(duì)于磁通雙向工作而言： 最大的工作磁通密度Bm，B=2Bm。在雙方向變化工作模式時(shí)，還要注意由于各種原因造成勵(lì)磁的正負(fù)變化的伏秒面積不相等，而出現(xiàn)直流偏磁問(wèn)題?？梢栽诖判局屑右粋€(gè)小氣隙，或者在電路設(shè)計(jì)時(shí)加隔直流電容。,202

4、0/9/6,7,2020/9/6,8,4.線圈參數(shù)： 線圈參數(shù)包括：匝數(shù)，導(dǎo)線截面（直徑），導(dǎo)線形式， 繞組排列和絕緣安排。 導(dǎo)線截面（直徑）決定于繞組的電流密度。通常取J為2.54A/mm2。導(dǎo)線直徑的選擇還要考慮趨膚效應(yīng)。如必要，還要經(jīng)過(guò)變壓器溫升校核后進(jìn)行必要的調(diào)整。,2020/9/6,9,4.線圈參數(shù)： 一般用的繞組排列方式：原繞組靠近磁芯，副繞組反饋繞組逐漸向外排列。下面推薦兩種繞組排列形式： 1）如果原繞組電壓高（例如220V），副繞組電壓低，可以采用副繞組靠近磁芯，接著繞反饋繞組，原繞組在最外層的繞組排列形式，這樣有利于原繞組對(duì)磁芯的絕緣安排； 2）如果要增加原副繞組之間的耦合

5、，可以采用一半原繞組靠近磁芯，接著繞反饋繞組和副繞組，最外層再繞一半原繞組的排列形式，這樣有利于減小漏感。,2020/9/6,10,5.組裝結(jié)構(gòu)： 高頻電源變壓器組裝結(jié)構(gòu)分為臥式和立式兩種。如果選用平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯，都采用臥式組裝結(jié)構(gòu)。,6.溫升校核： 溫升校核可以通過(guò)計(jì)算和樣品測(cè)試進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)溫升低于允許溫升15度以上，適當(dāng)增加電流密度和減小導(dǎo)線截面，如果超過(guò)允許溫升，適當(dāng)減小電流密度和增加導(dǎo)線截面，如增加直徑，窗口繞不下，要加大磁芯，增加磁芯的散熱面積。,2020/9/6,11,功率變壓器根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為三大類： （1）反激式變壓器； （2）正激式變壓器； （3）推挽式變壓器

6、（全橋/半橋變換器中的變壓器） 磁芯結(jié)構(gòu)適合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式如下頁(yè)表所示：,2020/9/6,12,+=適合； 0=一般；-=不適合,2020/9/6,13,磁芯材料的選擇應(yīng)注意的問(wèn)題： 1、軟磁鐵氧體，由于具有價(jià)格低、適應(yīng)性能和高頻性能好等特點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源中。 2、軟磁鐵氧體，常用的分為錳鋅鐵氧體和鎳鋅鐵氧體兩大系列，錳鋅鐵氧體的組成部分是Fe2O3，MnCO3，ZnO，它主要應(yīng)用在1MHz以下的各類濾波器、電感器、變壓器等，用途廣泛。而鎳鋅鐵氧體的組成部分是Fe2O3，NiO，ZnO等，主要用于1MHz以上的各種調(diào)感繞組、抗干擾磁珠、共用天線匹配器等。 3、在開關(guān)電源中應(yīng)用最為廣

7、泛的是錳鋅鐵氧體磁心，而且視其用途不同，材料選擇也不相同。用于電源輸入濾波器部分的磁心多為高導(dǎo)磁率磁心，其材料牌號(hào)多為R4KR10K，即相對(duì)磁導(dǎo)率為400010000左右的鐵氧體磁心，而用于主變壓器、輸出濾波器等多為高飽和磁通密度的磁性材料，其Bs為0.5T（即5000GS）左右。,2020/9/6,14,開關(guān)電源用鐵氧體磁性材應(yīng)滿足以下要求： （1）具有較高的飽和磁通密度Bs和較低的剩余磁通密度Br 磁通密度Bs的高低，對(duì)于變壓器和繞制結(jié)果有一定影響。從 理論上講，Bs高，變壓器繞組匝數(shù)可以減小，銅損也隨之減小 在實(shí)際應(yīng)用中，開關(guān)電源高頻變換器的電路形式很多，對(duì)于變 壓器而言，其工作形式可分

8、為兩大類：,1）雙極性：電路為半橋、全橋、推挽等。變壓器一次繞組里正負(fù)半周勵(lì)磁電流大小相等，方向相反，因此對(duì)于變壓器磁心里的磁通變化，也是對(duì)稱的上下移動(dòng)，B的最大變化范圍為B=2Bm，磁心中的直流分量基本抵消。 2）單極性：電路為單端正激、單端反激等，變壓器一次繞組在1個(gè)周期內(nèi)加上1個(gè)單向的方波脈沖電壓（單端反激式如此）。變壓器磁心單向勵(lì)磁，磁通密度在最大值Bm到剩余磁通密度Br之間變化，這時(shí)的B=BmBr，若減小Br，增大飽和磁通密度Bs，可以提高B，降低匝數(shù)，減小銅耗。,2020/9/6,15,變壓器或者電感根據(jù)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的工作方式分為三大類：1、直流濾波電感工作狀態(tài)，電感磁芯只工作在一

9、個(gè)象限。屬于這類工作狀態(tài)的電感有Boost電感、Buck電感、Buck/boost電感、正激以及所有推挽拓?fù)渥儞Q器輸出濾波電感、單端反激變換器變壓器； 2、正激變換器中的變壓器，磁芯也只工作在一個(gè)象限，但變壓器要進(jìn)行磁復(fù)位。 3、 推挽拓?fù)渲械淖儔浩鳎判臼请p向交變磁化，屬于這類的變換器有推挽變換器、半橋和全橋變換器、交流濾波電感等。,2020/9/6,16,（2）在高頻下具有較低的功率損耗 鐵氧體的功率損耗，不僅影響電源輸出效率，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致磁心發(fā)熱，波形畸變等不良后果。 變壓器的發(fā)熱問(wèn)題，在實(shí)際應(yīng)用中極為普遍，它主要是由變壓器的銅損和磁心損耗引起的。如果在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，Bm選擇過(guò)低，

10、繞組匝數(shù)過(guò)多，就會(huì)導(dǎo)致繞組發(fā)熱，并同時(shí)向磁心傳輸熱量，使磁心發(fā)熱。反之，若磁心發(fā)熱為主體，也會(huì)導(dǎo)致繞組發(fā)熱。 選擇鐵氧體材料時(shí)，要求功率損耗隨溫度的變化呈負(fù)溫度系數(shù)關(guān)系。這是因?yàn)?，假如磁心損耗為發(fā)熱主體，使變壓器溫度上升，而溫度上升又導(dǎo)致磁心損耗進(jìn)一步增大，從而形成惡性循環(huán)，最終將使功率管和變壓器及其他一些元件燒毀。因此國(guó)內(nèi)外在研制功率鐵氧體時(shí)，必須解決磁性材料本身功率損耗負(fù)溫度系數(shù)問(wèn)題，這也是電源用磁性材料的一個(gè)顯著特點(diǎn)，日本TDK公司的PC40及國(guó)產(chǎn)的R2KB等材料均能滿足這一要求。,2020/9/6,17,（3）適中的磁導(dǎo)率 相對(duì)磁導(dǎo)率究竟選取多少合適呢？這要根據(jù)實(shí)際線路的開關(guān)頻率來(lái)決

11、定，一般相對(duì)磁導(dǎo)率為2000的材料，其適用頻率在300kHz以下，有時(shí)也可以高些，但最高不能高于500kHz。對(duì)于高于這一頻段的材料，應(yīng)選擇磁導(dǎo)率偏低一點(diǎn)的磁性材料，一般為1300左右。 （4）較高的居里溫度 居里溫度是表示磁性材料失去磁特性的溫度，一般材料的居里溫度在200以上，但是變壓器的實(shí)際工作溫度不應(yīng)高于80，這是因?yàn)樵?00以上時(shí)，其飽和磁通密度Bs已跌至常溫時(shí)的70。因此過(guò)高的工作溫度會(huì)使磁心的飽和磁通密度跌落的更嚴(yán)重。再者，當(dāng)高于100時(shí)，其功耗已經(jīng)呈正溫度系數(shù)，會(huì)導(dǎo)致惡性循環(huán)。對(duì)于R2KB2材料，其允許功耗對(duì)應(yīng)的溫度已經(jīng)達(dá)到110，居里溫度高達(dá)240，滿足高溫使用要求。,20

12、20/9/6,18,變壓器的設(shè)計(jì)原則及方法 設(shè)計(jì)變壓器主要有很兩種方法：面積積AP法 AP：磁芯截面積Ae與線圈有效窗口面積Aw的乘積。 PT-變壓器的計(jì)算功率 Ae-磁芯有效截面積 Aw-磁芯窗口面積 Ko-磁芯窗口利用系數(shù)，典型值為0.4 Kf-波形系數(shù)，方波為4，正弦波為4.44 Bw-磁芯的工作磁感強(qiáng)度 Fs-開關(guān)工作頻率 Kj-電流密度系數(shù)，取395A/cm2 X-磁芯結(jié)構(gòu)系數(shù)，P107表3-8,2020/9/6,19,按照功率變壓器的設(shè)計(jì)方法，用面積積AP法設(shè)計(jì)變壓器的一般步驟： 1 .選擇磁芯材料，計(jì)算變壓器的視在功率； 2. 確定磁芯截面尺寸AP，根據(jù)AP值選擇磁芯尺寸； 3

13、. 計(jì)算原副邊電感量及匝數(shù)； 4. 計(jì)算空氣隙的長(zhǎng)度； 5. 根據(jù)電流密度和原副邊有效值電流求線徑； 6. 求銅損和鐵損是否滿足要求（比如：允許損耗和溫升）,2020/9/6,20,選擇磁芯材料，確定變壓器的視在功率PT； 考慮成本因數(shù)在此選擇PC40材質(zhì)，查PC40資料得 Bs=0.39T Br=0.06T,為了防止磁芯的瞬間出現(xiàn)飽和，預(yù)留一定裕量，取 Bm= Bmax*0.6=0.198T 取0.2T,電源的基本參數(shù)如右： 選擇反激拓?fù)洹?2020/9/6,21,2. 計(jì)算AP （用Excel表格來(lái)計(jì)算AP值）,變壓器視在功率PT：對(duì)于反激拓?fù)鋪?lái)說(shuō)，,式中： J電流密度，通常取395A/c

14、m2; Ku是銅窗有效使用系數(shù)，根據(jù)安規(guī)要求和輸出路數(shù)決定，一般取0.20.4。在此計(jì)算取0.4,2020/9/6,22,根據(jù)上圖，選擇大于計(jì)算AP值的磁芯EE3528，相關(guān)參數(shù)是： Ae:84.8mm2 AP：1.3398cm4 Wa：158mm2 AL：2600nH/H2,2020/9/6,23,反為了適應(yīng)突變的負(fù)載電流，把電源設(shè)計(jì)在臨界模式： 臨界電流I0B=0.8I0=2.4A,3. 計(jì)算原、副邊電感量及匝數(shù),2020/9/6,24,原、副邊峰值電流,原、副邊及輔助繞組的匝數(shù),2020/9/6,25,為了避免磁芯飽和，在磁回路中加入一個(gè)適當(dāng)?shù)臍庀?，?jì)算如下：,5.原、副邊及輔助繞組的線

15、徑有兩種方法：1、求裸線面積； 2、求導(dǎo)線直徑 （J電流密度取4A/mm2),用兩根直徑為0.18mm線并繞，或者用AWG #28單股線,可能要用氣隙磁通邊緣效應(yīng)校正匝數(shù),2020/9/6,26,次級(jí)線徑：,用4根直徑為0.25mm（AWG #31）的線并繞。 電流趨膚深度的計(jì)算,多股線并繞時(shí)的線徑必須小于或等于dwH，單線繞制時(shí)，線徑如果超過(guò)dWH值就要考慮采用多股線并繞。,2020/9/6,27,6. 計(jì)算銅損Pcu和鐵損Pfe（變壓器總損耗Ploss) a)原邊和副邊繞組損耗。其中，MLT為磁芯的平均匝長(zhǎng),2020/9/6,28,b)計(jì)算在效率下允許的總損耗Ploss和允許鐵損耗,c) 根據(jù)鐵芯損耗曲線求工作下實(shí)際發(fā)生的損耗： 單位重量鐵損： 實(shí)際發(fā)生的鐵損：,實(shí)際發(fā)生的鐵損應(yīng)該小于允許鐵損耗。,2020/9/6,29,d)計(jì)算單位面積損耗值=Ploss/As 若值引起的溫升小于25度，設(shè)計(jì)通過(guò)。,7. 計(jì)算Bw,工作磁通密度Bw應(yīng)該在設(shè)計(jì)指標(biāo)要求之內(nèi)，Bw