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正激变换器中变压器的设计过程

作者:时间:2011-05-19来源:网络收藏

1引言

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/179101.htm

电力电子技术中,高频开关电源的主要分为两部分,一是电路部分的,二是磁路部分的。相对电路部分的设计而言,磁路部分的设计要复杂得多。磁路部分的设计,不但要求设计者拥有全面的理论知识,而且要有丰富的实践经验。在磁路部分设计完毕后,还必须放到实际电路中验证其性能。由此可见,在高频开关电源的设计中,真正难以把握的是磁路部分的设计。高频开关电源的磁性元件主要包括、电感器。为此,以下将对高频开关电源的设计,特别是正激的设计,给出详细的分析,并设计出一个用于输入48V(36~72V),输出2.2V、20A的正激的高频开关电源变压器。

2.正激中变压器的设计方法

正激变换器是最简单的隔离降压式DC/DC变换器,其输出端的LC滤波器非常适合输出大电流,可以有效抑制输出电压纹波。所以,在所有的隔离DC/DC变换器中,正激变换器成为低电压大电流功率变换器的首选拓扑结构。但是,正激变换器必须进行磁复位,以确保励磁磁通在每一个开关周期开始时处于初始值。正激变换器的复位方式很多,包括第三绕组复位、RCD复位[1,2]、有源箝位复位[3]、LCD无损复位[4,5]以及谐振复位[6]等,其中最常见的磁复位方式是第三绕组复位。本文设计的高频开关电源变压器采用第三绕组复位,拓扑结构如图1所示。

开关电源变压器是高频开关电源的核心元件,其作用有三:磁能转换、电压变换和绝缘隔离。在开关管的作用下,将直流电转变成方波施加于开关电源变压器上,经开关电源变压器的电磁转换,输出所需要的电压,将输入功率传递到负载。开关变压器的性能好坏,不仅影响变压器本身的发热和效率,而且还会影响到高频开关电源的技术性能和可靠性。

所以在设计和制作时,对磁芯材料的选择,磁芯与线圈的结构,绕制工艺等都要有周密考虑。开关电源变压器工作于高频状态,分布参数的影响不能忽略,这些分布参数有漏感、分布电容和电流在导线中流动的趋肤效应。一般根据高频开关电源电路设计的要求提出漏感和分布电容限定值,在变压器的线圈结构设计中实现,而趋肤效应影响则作为选择导线规格的条件之一。

2.1变压器设计的基本原则

在给定的设计条件下磁感应强度B和电流密度J是进行变压器设计时必须计算的参数。当电路主拓扑结构、工作频率、磁芯尺寸给出后,变压器的功率P与B和J的乘积成正比,即P∝B·J。当变压器尺寸一定时,B和J选得高一些,则某一给定的磁芯可以输出更大的功率;反之,为了得到某一给定的输出功率,B和J选得高一些,变压器的尺寸就可以小一些,因而可减小体积,减轻重量。但是,B和J的提高受到电性能各项技术要求的制约。例如,若B过大,激磁电流过大,造成波形畸变严重,会影响电路安全工作并导致输出纹波增加。若J很大,铜损增大,温升将会超过规定值。因此,在确定磁感应强度和电流密度时,应把对电性能要求和经济设计结合起来考虑。

2.2各绕组匝数的计算方法

正激变换器中的变压器的磁芯是单向激磁,要求磁芯有大的脉冲磁感应增量。变压器初级工作时,次级也同时工作。 1)计算次级绕组峰值电流IP2 变压器次级绕组的峰值电流IP2等于高频开关电源的直流输出电流Io,即式中:

D是正激变换器最大占空比。

3)计算初级绕组电压幅值Up1 Up1=Uin-ΔU1(3)

式中:Uin是变压器输入直流电压(V);

ΔU1是变压器初级绕组电阻压降和开关管导通压降之和(V)。

4)计算次级绕组电压幅值式中:Uo是变压器次级负载直流电压(V); ΔU2是变压器次级绕组电阻压降和整流管压降之和(V)。

5)计算初级电流有效值I1 忽略励磁电流等影响因素,初级电流有效值I1按单向脉冲方波的波形来计算:

6)计算去磁绕组电流有效值IH 去磁绕组电流约与磁化电流相同,约为初级电流有效值的5%~10%,即

8)确定磁芯尺寸[7] 首先确定铜耗因子Z,Z的表达式为

式中:τ是环境温度(℃); Δτ是变压器温升(℃)。 然后计算脉冲磁感应增量ΔBm, ΔBm=KB·Bm(10)式中:KB是磁感应强度系数; Bm是磁芯材料最大工作磁感应强度(T)。

对于R2K铁氧体磁芯,最大工作磁感应强度是0.3T。磁感应强度系数KB可以从图2所示的磁感应强度系数曲线图得出,它取决于输出功率P2(W),工作频率f(kHz)和变压器平均温升Δτ(℃)。

变压器所需磁芯结构常数Y由下式确定式中:Y是变压器所需磁芯结构常数(cm5); q是单位散热表面功耗(W/cm2),q可以从温升和q值关系曲线中得出,如果环境温度为25℃,变压器温升为50℃,对应的q值为0.06。

计算出Y之后,选择磁芯结构常数Yc≥Y的磁芯,然后从磁芯生产厂商提供的资料中查出变压器散热表面积St(cm2),等效截面积Ae(cm2)等磁芯参数,或者自行设计满足结构常数的磁芯。

9)计算初级绕组匝数(N1)[7]式中:


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