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          電源知識(shí)——反激變壓器設(shè)計(jì)過程

          作者: 時(shí)間:2024-08-15 來源:張飛實(shí)戰(zhàn)電子 收藏

          電源參數(shù)

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202408/462031.htm


          根據(jù)功率、輸入輸出的情況,我們選擇反激電源拓?fù)洹?/span>


          反激式變壓器的優(yōu)點(diǎn)有:


          1. 電路簡(jiǎn)單,能高效提供多路直流輸出,因此適合多組輸出要求。

          2. 轉(zhuǎn)換效率高,損失小。

          3. 變壓器匝數(shù)比值較小。

          4. 輸入電壓在很大的范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí),仍可有較穩(wěn)定的輸出。


          設(shè)計(jì)步驟:


          1、決定電源參數(shù)。

          2、計(jì)算電路參數(shù)。

          3、選擇磁芯材料。

          4、選擇磁芯的形狀和尺寸。

          5、計(jì)算變壓器匝數(shù)、有效氣隙電感系數(shù)及氣隙長度。

          6、選擇繞組線圈線徑。

          7、計(jì)算變壓器損耗和溫升。


          原理圖

          步驟一、確定電源參數(shù):(有些參數(shù)為指標(biāo)給定,有些參數(shù)從資料查得)

          注:電流比例因數(shù):紋波比例,在重載和低收入情況下的紋波電流和實(shí)際電流的比例。


          步驟二、計(jì)算電路參數(shù):


          最低直流輸入電壓:

          Z為損耗分配因數(shù),如果Z=1.0表示所有損耗都在副邊,如果Z=0表示所有的損耗都在原邊,在這里取Z=0.5表示原副邊都存在損耗。


          步驟三、選擇磁芯材料:

          鐵氧體材料具有電阻率高,高頻損耗小的特點(diǎn),且有多種材料和磁芯規(guī)格滿足各要求,加之價(jià)格較其它材料低廉,是目前在開關(guān)電源中應(yīng)用最為廣泛的材料。同時(shí)也有飽和磁感應(yīng)比較低,材質(zhì)脆,不耐沖擊,溫度性能差的缺點(diǎn)。

          采用的是用于開關(guān)電源變壓器及傳輸高功率器件的MnZn功率鐵氧體材料PC40,其初始磁導(dǎo)率為2300±25%,飽和磁通密度為510mT(25℃時(shí))/390mT(100℃時(shí)),居里溫度為215℃。

          選擇磁芯材料為鐵氧體,PC40。


          步驟四、選擇磁芯的形狀和尺寸:


          高頻功率電子電路中離不開磁性材料。磁性材料主要用于電路中的 變壓器、扼流圈(包括諧振電感器)中。


          變壓器是整個(gè)電源供應(yīng)器的重要核心,所以變壓器的計(jì)算及驗(yàn)證是很重要的。


          磁性材料(Magnetic materials)有個(gè)磁飽和問題。如果磁路飽和,會(huì)導(dǎo)致變壓器電量傳遞畸變,使得電感器電感量減小等。對(duì)于電源來說,有效電感量的減小,電源輸出紋波將增加, 并且通過開關(guān)管的峰值電流將增加。這樣可能使得開關(guān)管的工作 點(diǎn)超出安全工作區(qū),從而造成開關(guān)管壽命的縮短或損壞。磁性材料的另一個(gè)問題就是居里點(diǎn)溫度

          (Curie Temperature)。在這一溫度下,材料的磁特性會(huì)發(fā)生急劇變化。特別是該材料會(huì) 從強(qiáng)磁物質(zhì)變成順磁性物質(zhì),即磁導(dǎo)率迅速減小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí) 際上,它幾乎轉(zhuǎn)變?yōu)楹涂諝獯判镜刃?。一些鐵淦氧(ferrites)的居里 點(diǎn)可以低到130oC左右。因此一定要注意磁性材料的工作溫度。


          簡(jiǎn)單的說就是兩個(gè)問題:

          1. 飽和——引起電感量減小

          2. 居里溫度——磁導(dǎo)率減小


          所以選擇變壓器的時(shí)候,我們需要充分考慮兩個(gè)問題:

          1、磁通量必須滿足,避免飽和。

          2、溫度不能太高。


          所以我們需要先計(jì)算變壓器鐵心磁飽和的磁通量的最大值B(max)

          決定變壓器的材質(zhì)及尺寸:


          依據(jù)變壓器計(jì)算公式


          B(max)的計(jì)算結(jié)果,不要超過我們選型的鐵心的額定值,并進(jìn)行降額、并考慮外殼導(dǎo)致散熱不良帶來的影響,并留有余量。

          B(max)的算法有兩種,

          面積相乘法(AP法)

          幾何參數(shù)法(KG 法)

          推導(dǎo)過程比較復(fù)雜和繁瑣,此處不進(jìn)行展開。


          在這里用面積乘積公式粗選變壓器的磁芯形狀和尺寸。具體公式如下:

          反激變壓器工作在第一象限,最高磁密應(yīng)留有余度,故選取B=0.3T,反激變壓器的系數(shù)K=0.0085(K1是反激變壓器在自然冷卻的情況下,電流密度取420A/cm時(shí)的經(jīng)驗(yàn)值。)

          磁芯型號(hào):查EPC磁芯系列—EPC19,磁芯參數(shù)為:

          EPC磁芯主要為平面變壓器設(shè)計(jì)的,具有中柱長,漏感小的特點(diǎn)。EPC19磁芯的AP值約為0.11cm4,稍大于計(jì)算所需的AP=0.09 cm4。若再選用小一號(hào)的磁芯EFD15,其AP值約為0.047 cm4,小于計(jì)算所需的AP=0.09 cm4,不符合要求,故選用EPC19磁芯。


          步驟五、計(jì)算變壓器各繞組匝數(shù)、有效氣隙電感系數(shù)及氣隙長度:


          1、法拉第電磁感應(yīng)定律

          電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小,跟穿過這一電路的磁通變化率成正比,

          電感歐姆定律方程:V=L*(dI/dt)

          所以推導(dǎo)得到電流型方程:


          N*A*B=L*I


          原邊繞組匝數(shù):

          當(dāng)電感、電流、匝數(shù)、面積確定的情況下,磁飽和密度也就確定了。

          換句話說:我們?yōu)榱诉_(dá)到一定的磁飽和密度,需要增加匝數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

          當(dāng)原邊的匝數(shù)滿足要求之后,我們通過匝數(shù)比關(guān)系,可以計(jì)算副邊匝數(shù)要求。

          步驟六、選擇繞組導(dǎo)線線徑:


          滿足磁通量的同時(shí)我們還需要考慮電流和空間的問題。

          決定變壓器線徑及線數(shù):

          當(dāng)變壓器決定后,變壓器的Bobbin(骨架)即可決定,依據(jù)Bobbin(骨架)的槽寬,可決定變壓器的線徑及線數(shù),亦可計(jì)算出線徑的電流密度,電流密度一般以6A/mm2為參考,電流密度對(duì)變壓器的設(shè)計(jì)而言,只能當(dāng)做參考值,最終應(yīng)以溫升記錄為準(zhǔn)。


          變壓器有效的骨架寬度:



          L為原邊繞組層數(shù),在這里采用4層。

          M為線圈每端需要的爬電距離,在這里取2mm。

          (爬電距離是沿絕緣表面測(cè)得的兩個(gè)導(dǎo)電零部件之間或?qū)щ娏悴考c設(shè)備防護(hù)界面之間的最短路徑。)

          骨架繞線寬度:Bw=11.9mm


          計(jì)算原邊繞組導(dǎo)線允許的最大直徑(漆包線):

          根據(jù)上述計(jì)算數(shù)據(jù)可采用裸線徑DIA=0.23mm的漆包線繞置,其帶漆皮外徑為0.27mm,剛好4層可以繞下。

          根據(jù)所選線徑計(jì)算原邊繞組的電流密度:


          計(jì)算副邊繞組導(dǎo)線允許的最大直徑(漆包線):


          根據(jù)上述計(jì)算數(shù)據(jù)可采用裸線徑DIASS=0.72mm的漆包線繞置,但由于在溫度100℃、工作頻率為60KHz時(shí)銅線的集膚深度:


          而0.72mm大于了2倍的集膚深度,使銅線的利用率降低,故采用兩根0.35mm的漆包線并繞。


          自供電繞組線徑:由于自供電繞組的電流非常小只有5mA,因此對(duì)線徑要求并不是很嚴(yán)格,在這里主要考慮為便于與次級(jí)更好的耦合及機(jī)械強(qiáng)度,因此也采用裸線徑為0.35mm的漆包線進(jìn)行繞置,使其剛好一層繞下,減小與次級(jí)之間的漏感,保證短路時(shí)使自供電電壓降低。


          步驟七、計(jì)算變壓器損耗和溫升


          變壓器的損耗主要由線圈損耗及磁芯損耗兩部分組成,下面分別計(jì)算:

          1)線圈損耗:


          為100℃銅的電阻率為2.3×10-6(·cm );為原邊繞組的線圈長度,實(shí)測(cè)為360cm;A為原邊0.23mm漆包線的截面積。


          d為原邊漆包線直徑0.23mm,s為導(dǎo)線中心距0.27mm,為集膚深度0.31mm。

          原邊交流電阻與直流電阻比:由于原邊采用包繞法,故原邊繞組層數(shù)可按兩層考慮,根據(jù)上式所求的Q值,查得。


          為100℃銅的電阻率為2.3×10-6(·cm );為副邊繞組的線圈長度,實(shí)測(cè)為80cm;A為副邊兩根0.38mm漆包線的截面積。

          d為副邊漆包線直徑0.35mm,s為導(dǎo)線中心距0.41mm,為集膚深度0.31mm。副邊交流電阻與直流電阻比:副邊繞組層數(shù)為一層,根據(jù)上式所求的Q值,查得:


          2)磁芯損耗:


          Pcv為磁芯功率損耗,由峰值磁通密度擺幅、工作頻率60KHz及工作溫度100℃可在廠家手冊(cè)上查出其損耗約為30mw/cm3。

          Ve為EPC19的體積0.105cm3。


          總結(jié):通過上述計(jì)算可知,當(dāng)環(huán)境溫度為85℃時(shí),變壓器最高溫度在96℃左右,符合磁芯的最佳工作溫度。同時(shí)采用包繞法使得漏感僅為70uH(1KHz時(shí))/15uH(100KHz時(shí)),小于3%,效果較理想。





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