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开关电源功率变压器的设计方法.doc

开关电源功率变压器的设计方法

卡布奇诺
2009-04-25 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《开关电源功率变压器的设计方法doc》,可适用于IT/计算机领域

开关电源功率变压器的设计方法 开关电源功率变压器的特性   功率变压器是开关电源中非常重要的部件它和普通电源变压器一样也是通过磁耦合来传输能量的。不过在这种功率变压器中实现磁耦合的磁路不是普通变压器中的硅钢片而是在高频情况下工作的磁导率较高的铁氧体磁心或铍莫合金等磁性材料其目的是为了获得较大的励磁电感、减小磁路中的功率损耗使之能以最小的损耗和相位失真传输具有宽频带的脉冲能量。   图(a)为加在脉冲变压器输入端的矩形脉冲波图(b)为输出端得到的输出波形可以看出脉冲变压器带来的波形失真主要有以下几个方面:图脉冲变压器输入、输出波形(a)输入波形(b)输出波形()上升沿和下降沿变得倾斜即存在上升时间和下降时间()上升过程的末了时刻有上冲甚至出现振荡现象()下降过程的末了时刻有下冲也可能出现振荡波形()平顶部分是逐渐降落的。  这些失真反映了实际脉冲变压器和理想变压器的差别考虑到各种因素对波形的影响可以得到如图所示的脉冲变压器等效电路。图中:Rsi信号源Ui的内阻Rp一次绕组的电阻Rm磁心损耗(对铁氧体磁心可以忽略)T理想变压器Rso二次绕组的电阻RL负载电阻C、C一次和二次绕组的等效分布电容Lin、Lis一次和二次绕组的漏感Lm一次绕组电感也叫励磁电感n理想变压器的匝数比n=NN图脉冲变压器的等效电路   将图所示电路的二次回路折合到一次做近似处理合并某些参数可得图所示电路漏感Li包括Lin和Lis总分布电容C包括C和C总电阻RS包括Rsi、RP和RsoLm是励磁电感和前述的Lm相同RL′是RL等效到一次侧的阻值RL′=RLn,折合后的输出电压U′o=Uon。   经过这样处理后等效电路中只有个元件但在脉冲作用的各段时间内每个元件并不都是同时起主要作用我们知道任何一个脉冲波形可以分解成基波与许多谐波的叠加。脉冲的上升沿和下降沿包含着各种高频分量而脉冲的平顶部分包含着各种低频分量。因此在上升、下降和平顶过程中各元件(L、C等)表现出来的阻抗也不一样因此我们把这一过程分成几个阶段来分析分别找出各阶段起主要作用的元件而忽略次要的因素。例如当输入信号为矩形脉冲时可以分个阶段来分析即上升阶段、平顶阶段和下降阶段。()上升阶段  对于通常的正脉冲而言上升阶段即脉冲前沿信号中包含丰富的高频成分当高频分量通过脉冲变压器时在图所示的等效电路中C的容抗ωC很小而Lm的感抗ωLm很大相比起来可将Lm的作用忽略而在串联的支路中Li的作用即较为显著。于是可以把图所示的等效电路简化成图所示的等效电路。                      图图的等效电路                     图图的简化电路  在这个电路中频率越高ωLi越大而ωC越小因而高频信号大多降在Li上输出的高频分量就减少了可见输入信号Usm前沿中所包含的高频分量就不能完全传输到输出端频率越高的成分到达输出端越小结果在输出端得到的波形前沿就和输入波形不同即产生了失真。  要想减小这种波形失真就要尽量减小分布电容C(应减小变压器一次绕组的匝数)。但又要得到一定的绕组电感量所以需要用高磁导率的磁心。在绕制上也可以采取一些措施来减小分布电容例如用分段绕法为了减小漏感L可采用一、二次绕组交叠绕法等。()平顶阶段  脉冲的平顶包含着各种低频分量。在低频情况下并联在输出端的个元件中电容C的容抗ωC很大因此电容C可以忽略。同时在串联支路中Li的感抗ωLi很小也可以略去。所以又可以把图电路简化为图所示的低频等效电路。信号源也可以等效成电动势为Usm的直流电源。  这里可用下述公式表达U′o=(UsmRL′)e-Tτ(Rs+RL′)τ=Lm(Rs+RL′)RsRL′  可见U′o为一下降的指数波形其下降速度决定于时间常数τ,τ越大下降越慢即波形失真越小。为此应尽量加大Lm而减小Rs和RL′,但这是有限的。如果Lm太大必然使绕组的匝数很多这将导致绕组分布电容加大致使脉冲上升沿变坏。                             图图的低频等效电路                 图脉冲下降阶段的等效电路()下降阶段   下降阶段的信号源相当于直流电源Usm串联的开关S由闭合到断开的阶段它与上升阶段虽然是相对的过程但有两个不同一是电感Lm中有励磁电流并开始释放因此Lm不能略去二是开关S断开后Rs便不起作用由此得出下降阶段的等效电路见图。   一般来说在脉冲变压器平顶阶段以后Lm中存储了比较大的磁能因此在开关断开后会出现剧烈的振荡并产生很大的下冲。为了消除下冲往往采用阻尼措施。功率变压器的参数及公式变压器的基本参数  在磁路中磁通集中的程度称为磁通密度或磁感应强度用B表示单位是特斯拉(T)通常仍用高斯(GS)单位T=GS。另一方面产生磁通的磁力称为磁场强度用符号H表示单位是AmH=πNIli式中:N绕组匝数I电流强度li磁路长度磁性材料的磁滞回线表示磁性材料被完全磁化和完全去磁化这一过程的磁特性变化。图为一典型的磁化曲线。由坐标点到a点这段曲线称起始磁化曲线。曲线中的一些关键点是十分重要的BS:饱和磁通密度Br:剩磁HC:矫顽磁力。当Br越接近于BS值时磁滞曲线的形状越接近于矩形见图(a)同时矫顽磁力HC越大时磁滞曲线越宽这表明这种磁性材料的磁化特性越硬表明这种材料为硬磁性材料。当Br和BS相差越大矫顽磁力HC越小时即磁滞曲线越瘦表明这种材料为软磁性材料脉冲变压器的磁心材料应选用软磁性材料见图(b)。                              图不带气隙的磁滞回线                      图硬软磁性材料和磁滞回线(a)硬磁材料(b)软磁材料   如果在磁心中开一个气隙将建立起一个有气隙的磁路它会改变磁路的有效长度。因为空气隙的磁导率为所以有效磁路长度le为le=li+μilg式中:li磁性材料中的磁路长度lg空气隙的磁路长度μi磁性材料的磁导率对一个给定安匝数有空气隙磁心的磁通密度要比没有空气隙的磁通密度小。设计变压器的基本公式为了确保变压器在磁化曲线的线性区工作可用下式计算最大磁通密度(单位:T)Bm=(Up×)KfNpSc式中:Up变压器一次绕组上所加电压(V)f脉冲变压器工作频率(Hz)Np变压器一次绕组匝数(匝)Sc磁心有效截面积(cm)K系数对正弦波为,对矩形波为一般情况下开关电源变压器的Bm值应选在比饱和磁通密度Bs低一些。变压器输出功率可由下式计算(单位:W)Po=BmfjScSo×-式中:j导线电流密度(Amm)Sc磁心的有效截面积(cm)So磁心的窗口面积(cm)对功率变压器的要求()漏感要小   图是双极性电路(半桥、全桥及推挽等)典型的电压、电流波形变压器漏感储能引起的电压尖峰是功率开关管损坏的原因之一。图双极性功率变换器波形   功率开关管关断时电压尖峰的大小和集电极电路配置、电路关断条件以及漏感大小等因素有关仅就变压器而言减小漏感是十分重要的。()避免瞬态饱和   一般工频电源变压器的工作磁通密度设计在B-H曲线接近拐点处因而在通电瞬间由于变压器磁心的严重饱和而产生极大的浪涌电流。它衰减得很快持续时间一般只有几个周期。对于脉冲变压器而言如果工作磁通密度选择较大在通电瞬间就会发生磁饱和。由于脉冲变压器和功率开关管直接相连并加有较高的电压脉冲变压器的饱和即使是很短的几个周期也会导致功率开关管的损坏这是不允许的。所以一般在控制电路中都有软启动电路来解决这个问题。()要考虑温度影响   开关电源的工作频率较高要求磁心材料在工作频率下的功率损耗应尽可能小随着工作温度的升高饱和磁通密度的降低应尽量小。在设计和选用磁心材料时除了关心其饱和磁通密度、损耗等常规参数外还要特别注意它的温度特性。一般应按实际的工作温度来选择磁通密度的大小一般铁氧体磁心的Bm值易受温度影响按开关电源工作环境温度为℃考虑磁心温度可达~℃一般选择Bm=~T即~GS。()合理进行结构设计  从结构上看有下列几个因素应当给予考虑:漏磁要小减小绕组的漏感便于绕制引出线及变压器安装要方便以利于生产和维护便于散热。磁心材料的选择  软磁铁氧体由于具有价格低、适应性能和高频性能好等特点而被广泛应用于开关电源中。  软磁铁氧体常用的分为锰锌铁氧体和镍锌铁氧体两大系列锰锌铁氧体的组成部分是FeOMnCOZnO它主要应用在MHz以下的各类滤波器、电感器、变压器等用途广泛。而镍锌铁氧体的组成部分是FeONiOZnO等主要用于MHz以上的各种调感绕组、抗干扰磁珠、共用天线匹配器等。在开关电源中应用最为广泛的是锰锌铁氧体磁心而且视其用途不同材料选择也不相同。用于电源输入滤波器部分的磁心多为高导磁率磁心其材料牌号多为RK~RK即相对磁导率为~左右的铁氧体磁心而用于主变压器、输出滤波器等多为高饱和磁通密度的磁性材料其Bs为T(即GS)左右。开关电源用铁氧体磁性材应满足以下要求:()具有较高的饱和磁通密度Bs和较低的剩余磁通密度Br  磁通密度Bs的高低对于变压器和绕制结果有一定影响。从理论上讲Bs高变压器的绕组匝数可以减小铜损也随之减小。在实际应用中开关电源高频变换器的电路形式很多对于变压器而言其工作形式可分为两大类:)双极性。电路为半桥、全桥、推挽等。变压器一次绕组里正负半周励磁电流大小相等方向相反因此对于变压器磁心里的磁通变化也是对称的上下移动B的最大变化范围为△B=Bm磁心中的直流分量基本抵消。)单极性。电路为单端正激、单端反激等变压器一次绕组在个周期内加上个单向的方波脉冲电压(单端反激式如此)。变压器磁心单向励磁磁通密度在最大值Bm到剩余磁通密度Br之间变化见图这时的△B=Bm-Br若减小Br增大饱和磁通密度Bs可以提高△B降低匝数减小铜耗。()在高频下具有较低的功率损耗   铁氧体的功率损耗不仅影响电源输出效率同时会导致磁心发热波形畸变等不良后果。   变压器的发热问题在实际应用中极为普遍它主要是由变压器的铜损和磁心损耗引起的。如果在设计变压器时Bm选择过低绕组匝数过多就会导致绕组发热并同时向磁心传输热量使磁心发热。反之若磁心发热为主体也会导致绕组发热。  选择铁氧体材料时要求功率损耗随温度的变化呈负温度系数关系。这是因为假如磁心损耗为发热主体使变压器温度上升而温度上升又导致磁心损耗进一步增大从而形成恶性循环最终将使功率管和变压器及其他一些元件烧毁。因此国内外在研制功率铁氧体时必须解决磁性材料本身功率损耗负温度系数问题这也是电源用磁性材料的一个显著特点日本TDK公司的PC及国产的RKB等材料均能满足这一要求。()适中的磁导率相对磁导率究竟选取多少合适呢?这要根据实际线路的开关频率来决定一般相对磁导率为的材料其适用频率在kHz以下有时也可以高些但最高不能高于kHz。对于高于这一频段的材料应选择磁导率偏低一点的磁性材料一般为左右。()较高的居里温度居里温度是表示磁性材料失去磁特性的温度一般材料的居里温度在℃以上但是变压器的实际工作温度不应高于℃这是因为在℃以上时其饱和磁通密度Bs已跌至常温时的%。因此过高的工作温度会使磁心的饱和磁通密度跌落的更严重。再者当高于℃时其功耗已经呈正温度系数会导致恶性循环。对于RKB材料其允许功耗对应的温度已经达到℃居里温度高达℃满足高温使用要求。开关电源功率变压器的设计方法双极性开关电源变压器的计算设计前应确定下列基本条件:电路形式,开关工作频率,变压器输入电压幅值,开关功率管最大导通时间,变压器输出电压电流,输出侧整流电路形式对漏感及分布电容的要求工作环境条件等。()确定磁心尺寸)求变压器计算功率PtPt的大小取决于变压器输出功率及输出侧整流电路形式:  全桥电路桥式整流:Pt=(+n)Po  半桥电路双半波整流:Pt=(n+)PoINCLUDEPICTURE"D:DYZWHTMIMAGEJPG"*MERGEFORMATINET  推挽电路双半波整流:Pt=(n+)Po式中:Po=UoIo直流输出功率。Pt可在(~)Po范围内变化Po及Pt均以瓦(W)为单位。n=NN,变压匝数比。)确定磁通密度Bm  Bm与磁心的材料、结构形式及工作频率等因素有关又要考虑温升及磁心不饱和等要求。对于铁氧体磁心多采用T(特斯拉)左右。)计算磁心面积乘积SpSp等于磁心截面积Sc(cm)及窗口截面积So(cm)的乘积即Sp=ScSo=(Pt×)BmfKwKj(cm)式中:Kw窗口占空系数与导线粗细、绕制工艺及漏感和分布电容的要求等有关。一般低压电源变压器取Kw=~。  Kj电流密度系数与铁心形式、温升要求等有关。对于常用的E型磁心当温升要求为℃时Kj=要求℃时Kj=。环型磁心当温升要求为℃时Kj=要求℃时Kj=。  由Sp值选择适用于或接近于Sp的磁性材料、结构形式和磁心规格。()计算绕组匝数)一次绕组匝数:N=(Upton×-)BmSc(匝)式中:Up一次绕组输入电压幅值(V)  ton一次绕组输入电压脉冲宽度(μs))二次绕组匝数:N=(UpN)Up(匝)……Ni=(UpiN)Up(匝)式中:Up…Upi二次绕组输出电压幅值(V)()选择绕组导线  导线截面积Smi=Iij(mm)式中:Ii各绕组电流有效值(A)j电流密度j=KjSp-×-(Amm)()损耗计算)绕组铜损Pmi=IiRai(W)式中:Rai各绕组交流电阻(Ω)Ra=KrRdRd导线直流电阻Kr趋表系数,Kr=(D)(D-△)·△,D圆导线直径(mm)△穿透深度(mm)圆铜导线△=f(f:电流频率Hz)变压器为多绕组时总铜损为  Pm=IiRai(W))磁心损耗Pc=PcoGc式中:Pco在工作频率及工作磁通密度情况下单位质量的磁心损耗(Wkg)  Gc磁心质量(kg))变压器总损耗Pz=Pm+Pc(W)()温升计算  变压器由于损耗转变成热量使变压器温度上升其温升数值与变压器表面积ST有关ST=式中:Sp磁心面积乘积(cm)  KS表面积系数E型磁心KS=环型磁心KS=单极性开关电源变压器的计算  设计前应确定下列基本条件:电路形式工作频率变换器输入最高和最低电压输出电压电流开关管最大导通时间对漏感及分布电容的要求工作环境条件等。()单端反激式计算)变压器输入输出电压一次绕组输入电压幅值UP=Ui-△U式中:Ui变换器输入直流电压(V)△U开关管及线路压降(V)二次绕组输出电压幅值UP=U+△U……UPi=Ui+△Ui式中:U…Ui直流输出电压(V)△U…△Ui整流管及线路压降(V))一次绕组电感临界值(H)式中:n变压器匝数比n=tonUptoffUpton额定输入电压时开关管导通时间(μs)toff开关管截止时间(μs)  T开关电源工作周期(μs)T=ff:工作频率(Hz)  Po变压器输出直流功率(W)  通常要求一次绕组实际电感Lp≥Lmin)确定工作磁通密度单端反激式变压器工作在单向脉冲状态一般取饱和磁通密度值(Bs)的一半即脉冲磁通密度增量△Bm=BS(T))计算磁心面积乘积  Sp=LpIpD△Bm(cm)式中:Ip一次绕组峰值电流Ip=PoUpminDmax(A)式中:Upmin变压器输入最低电压幅值(V)Dmax最大占空比Dmax=tonmaxTD一次绕组导线直径(mm)由一次绕组电流有效值I确定单向脉冲时I=Ip(tonT))空气隙长度  lg=πLpIp△BmSC(cm))绕组匝数计算  一次绕组有气隙时N=△Bmlg×πIp(匝)无气隙时(匝)式中:LC磁心磁路长度(cm)  μe磁心有效磁导率由工作的磁通密度和直流磁场强度及磁性材料决定查阅磁心规格得出。二次绕组N=Up(-Dmax)UpminDmaxN……Ni=Upi(-Dmax)UpiminDmaxN  ()单端正激式计算  单端正激式电路工作的特点是一、二次绕组同时工作另加去磁绕组因此计算方法与双极性电路类似。)二次绕组峰值电流等于直流输出电流即IP=I)二次绕组电压幅值开关电源功率变压器的设计方法Up=(Uo+△U)D(V)式中:Uo输出直流电压(V)  △U整流管及线路压降(V)  D额定工作状态时的占空比D=tonT)变压器输出功率P=(DUpIp)(W)式中:Up变压器输出电压幅值(V)Ip二次绕组峰值电流(A))确定磁心体积  Ve=(βP×)f(cm)式中:β计算系数工作频率f=~kHz时β=由Ve值选择接近尺寸的磁心。)一次绕组匝数N=(Upton×-)f(匝)式中:Up变压器输入额定电压幅值(V))二次绕组匝数N=(UpUp)N……Ni=UpiNUp)去磁绕组匝数NH=N)绕组电流有效值二次侧:I=Ip  一次侧:I=UpIUp  去磁:IH=(~)%I***上述仅是常规计算方法由于所选用材料及工艺的不同有些数据应做相应的调整。  还应做漏感、分布电容、温升及窗口校核等计算这些计算较繁琐经验性较强必要时请阅专著。  作者简介张乃国  男  年生,清华大学副教授。于年(岁)编著《小型变压器的设计与制作》一书受到读者欢迎两次重印年出修订本。年又主编出版《小功率电源变压器》一书选作电工电子技术人员培训及晋升职称参考用书。曾发表多篇有关电子变压器的论文。现任本杂志执行主编(来信请寄本刊编辑部)。             收稿日期:            定稿日期:网上服务如对本文有什么意见或建议请发电子邮件:sunlanepubxaonlinecom  

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