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1、精品_精品资料_开关电源功率变压器的设计方法1、开关电源功率变压器的特性功率变压器是开关电源中特别重要的部件,它和一般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一般变压器中的硅钢片, 而是在高频情形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 1a为加在脉冲变压器输入端的矩形脉冲波,图1b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：a输入波形b输出波形图 1 脉冲变压器输入、输出波形1上升沿和下降沿变得
2、倾斜,即存在上升时间和下降时间.2上升过程的末了时刻,有上冲,甚至显现振荡现象.3下降过程的末了时刻,有下冲,也可能显现振荡波形.4平顶部分是逐步降落的.这些失真反映了实际脉冲变压器和抱负变压器的差异,考虑到各种因素对波形的影响,可以得到如图 2 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,可以忽视 T抱负变压器可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_Rso二次绕组的电阻RL负载电阻C1、C2一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Lm1一次绕组电感,也叫励磁电感n抱负变压器的匝数比, n=N1/
3、N2图 2 脉冲变压器的等效电路将图 2 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 3 所示电路,漏感 Li 包括 Lin 和 Lis ,总分布电容 C包括 C1 和 C2.总电阻RS包括 Rsi 、RP和 Rso. Lm1是励磁电感,和前述的 Lm1相同. RL是 RL 等效到一次侧的阻值, RL=RL/n2, 折合后的输出电压Uo=Uo/n.经过这样处理后,等效电路中只有5 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很多谐波的叠加. 脉冲的上升沿和下降沿包含着各种高频重量,而脉冲的平顶部分包含着各种
4、低频重量.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, 而忽视次要的因素. 例如,当输入信号为矩形脉冲时, 可以分 3 个阶段来分析,即上升阶段、平顶阶段和下降阶段.1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, 当高频重量通过脉冲变压器时, 在图 3 所示的等效电路中, C的容抗 1/ C很小, 而 Lm1的感抗 Lm1很大,相比起来,可将 Lm1的作用忽视, 而在串联的支路中,可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_Li 的作用即较为显著.于是可以
5、把图3 所示的等效电路简化成图 4 所示的等效电路.图 3图 2 的等效电路图 4图 3 的简化电路在这个电路中,频率越高, Li 越大,而 1/ C越小,因而高频信号大多降在 Li 上,输出的高频重量就削减了,可见输入信号Usm前沿中所包含的高频重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.但又要得到肯定的绕组电感量,所以需要用高磁导率的磁心.在绕制 上也可以实行一些措施来减小分布电容,例如用分段绕法.为了减小漏感L1, 可采纳一、二次绕组交叠绕法
6、等.2平顶阶段脉冲的平顶包含着各种低频重量. 在低频情形下, 并联在输出端的 3 个元件中,电容 C的容抗 1/ C很大,因此电容 C可以忽视.同时在串联支路中,Li 的感抗 Li 很小,也可以略去.所以又可以把图3 电路简化为图 5 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Uo=UsmRLe T/ /Rs RL可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_=Lm1Rs RLRsRL可见 Uo为一下降的指数波形,其下降速度打算于时间常数, 越大, 下降越慢,即波形失真越小.为此,应尽量加大Lm1,而减小 Rs 和 RL, 但这是有限的.假如 Lm1
7、太大,必定使绕组的匝数很多,这将导致绕组分布电容加大, 致使脉冲上升沿变坏.图 5图 3 的低频等效电路图 6脉冲下降阶段的等效电路3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Lm1中有励磁电流, 并开头释放,因此 Lm1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6.一般来说,在脉冲变压器平顶阶段以后, Lm1中储备了比较大的磁能,因此在开关断开后,会显现猛烈的振荡, 并产生很大的下冲. 为了排除下冲往往采纳阻尼措施.2、功率变压器的参数及公式在磁路中,磁通集中的程度
8、,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, 1T=104GS.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 A/m可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_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 7 为一典型的磁化曲线.由坐标 0 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特别重要的, BS：饱和磁通密度, Br：剩磁, HC：矫顽磁力.当 Br 越接近于 BS值时,磁滞曲线的外形越接近于矩形,见图8a,同时矫顽磁力 HC越大时,磁滞曲线
9、越宽,这说明这种磁性材料的磁化特性越硬, 说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, 说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 8b.图 7不带气隙的磁滞回线可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_a硬磁材料b软磁材料图 8硬/ 软磁性材料和磁滞回线假如在磁心中开一个气隙, 将建立起一个有气隙的磁路, 它会转变磁路的有效长度.由于空气隙的磁导率为1,所以有效磁路长度 le 为le=li ilg式中： li 磁性材料中的磁路长度lg 空气隙的磁路长度i 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
10、比没有空气隙的磁通密度小.为了确保变压器在磁化曲线的线性区工作, 可用下式运算最大磁通密度 单位： TBm=Up104/KfNpSc式中： Up变压器一次绕组上所加电压 Vf 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 cm2一般情形下,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运算单位： WPo=1.16BmfjScSo10 5式中： j 导线电流密度 A/mm2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_Sc磁心的有效截面积 cm2 So磁心的窗口面积 cm23、对功率变压器的要求1漏感要小图 9 是双极性电路半桥、全桥
11、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缘由之一.图 9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,减小漏感是特别重要的.2防止瞬态饱和一般工频电源变压器的工作磁通密度设计在BH曲线接近拐点处,因而在通电瞬时由于变压器磁心的严峻饱和而产生极大的浪涌电流.它衰减得很快, 连续时间一般只有几个周期. 对于脉冲变压器而言假如工作磁通密度挑选较大,在通电瞬时就会发生磁饱和. 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
12、坏, 这是不答应的.所以一般在掌握电路中都有软启动电路来解决这个问题.3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,随着工作温度的上升, 饱和磁通密度的降低应尽量小. 在设计和选用磁心材料时,除了关怀其饱和磁通密度、 损耗等常规参数外, 仍要特殊留意它的温度特性.一般应按实际的工作温度来挑选磁通密度的大小,一般铁氧体磁心的Bm值可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_易受温度影响, 按开关电源工作环境温度为 40考虑, 磁心温度可达 6080, 一般挑选 Bm=0.20.4T ,即 2022 4000GS.4合理进行结构设计从结构上看,有以下几
13、个因素应当赐予考虑： 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便利,以利于生产和保护. 便于散热.4、磁心材料的挑选软磁铁氧体, 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 Fe2O3, MnCO,3 ZnO,它主要应用在 1MHz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Fe2O3,NiO,ZnO等,主要用于 1MHz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, 材料挑选也
14、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R4K R10K,即相对磁导率为 4000 10000 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 0.5T即 5000GS左右.开关电源用铁氧体磁性材应满意以下要求：1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肯定影响.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：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资
15、料_1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 的最大变化范畴为 B=2Bm,磁心中的直流重量基本抵消.2单极性.电路为单端正激、单端反激等,变压器一次绕组在1 个周期内加上 1 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 7,这时的 B=Bm Br,假设减小 Br,增大饱和磁通密度 Bs,可以提高 B,降低匝数,减小铜耗.2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
16、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.假如在设计变压器时,Bm挑选过低,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,假设磁心发热为主体, 也会导致绕组发热.挑选铁氧体材料时,要求功率损耗随温度的变化呈负温度系数关系.这是 由于,假设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, 必需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 PC40及国
17、产的 R2KB等材料均能满意这一要求.3适中的磁导率相对磁导率到底选取多少合适了？这要依据实际线路的开关频率来打算, 一般相对磁导率为 2022 的材料,其适用频率在 300kHz以下,有时也可以高些, 但最高不能高于 500kHz.对于高于这一频段的材料,应挑选磁导率偏低一点的磁性材料,一般为 1300 左右.4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 200 以上,但是变压器的实际工作温度不应高于 80,这是由于在 100以上时, 其可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_饱和磁通密度 Bs 已跌至常温时的 70.因此过高的工作温度会使磁心的饱和
18、磁通密度跌落的更严峻.再者,当高于100时,其功耗已经呈正温度系数,会导致恶性循环.对于 R2KB2材料,其答应功耗对应的温度已经到达110,居里温度高达 240,满意高温使用要求.5、开关电源功率变压器的设计方法设计前应确定以下基本条件： 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.1确定磁心尺寸1求变压器运算功率 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=1 1/nPo半桥电路,双半波整流：Pt=1/n Po推挽电路,双半波
19、整流： Pt=/n Po 式中： Po=UoIo,直流输出功率.Pt 可在22.8 Po 范畴内变化, Po及 Pt 均以瓦W为单位.n=N1/N2, 变压匝数比.2确定磁通密度 BmBm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纳0.3T 特斯拉左右.3运算磁心面积乘积 SpSp 等于磁心截面积 Sccm2及窗口截面积 Socm2的乘积,即Sp=ScSo=Pt104/4BmfKwKj1.16cm4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=0.2 0.4 .可编辑资料 - - -
20、欢迎下载精品_精品资料_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 25时, Kj=366.要求 50时, Kj=534.环型磁心,当温升要求为 25时, Kj=250; 要求 50时, Kj=365.由 Sp值挑选适用于或接近于 Sp的磁性材料、结构形式和磁心规格.2运算绕组匝数1一次绕组匝数： N1=Up1ton10 2/2BmSc 匝式中： Up1一次绕组输入电压幅值 Vton 一次绕组输入电压脉冲宽度 s2二次绕组匝数： N2=Up2N1/Up1匝Ni=UpiN1 /Up1 匝式中： Up2Upi二次绕组输出电压幅值 V3挑选绕组导线导线
21、截面积 Smi=Ii/jmm2式中： Ii 各绕组电流有效值 Aj 电流密度j=KjSp 0.14 10 2A/mm24损耗运算1绕组铜损 Pmi=Ii2RaiW式中： Rai 各绕组沟通电阻, Ra=KrRd,Rd导线直流电阻, Kr趋表系数,Kr=D/22/D ,D圆导线直径 mm,穿透深度 mm,圆铜导线可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_=66.1/f0.5f ：电流频率, Hz变压器为多绕组时,总铜损为Pm= Ii2RaiW2磁心损耗 Pc=PcoGc式中： Pco在工作频率及工作磁通密度情形下单位质量的磁心损耗 W/kgGc磁心质量 kg3变压器总损耗 Pz=PmPcW
22、5温升运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外表积 ST有关ST=式中： Sp磁心面积乘积 cm4KS外表积系数, E 型磁心 KS=41.3,环型设计前应确定以下基本条件： 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.1单端反激式运算1变压器输入输出电压一次绕组输入电压幅值 UP1=Ui U1式中： Ui 变换器输入直流电压 VU1开关管及线路压降 V二次绕组输出电压幅值 UP2=U02 U2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_UPi=U0i Ui式中： U02U0i直流
23、输出电压 VU2 Ui 整流管及线路压降 V2一次绕组电感 临界值 H式中： n变压器匝数比 n=tonUp1/toffUp2 ton 额定输入电压时开关管导通时间stoff开关管截止时间 sT开关电源工作周期 s, T=1/f ,f：工作频率 HzPo变压器输出直流功率 W通常要求一次绕组实际电感 Lp1Lmin3 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/2T4运算磁心面积乘积Sp=392Lp1Ip1D12/Bmcm4式中： Ip1 一次绕组峰值电流Ip1=2Po/Up1minDmaxA式中： Up1min变压器输入
24、最低电压幅值VDmax最大占空比, Dmax=tonmax/T可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_D1一次绕组导线直径 mm,由一次绕组电流有效值 I1 确定,单向脉冲时5空气隙长度lg=0.4 Lp1Ip12/ Bm2SCcm 6绕组匝数运算一次绕组,有气隙时N1=Bmlg104/0.4 Ip1 匝 无气隙时 匝式中： LC磁心磁路长度 cme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 N2=Up21Dmax/Up1minDmaxN1Ni=Upi1 Dmax/UpiminDmaxN12单端正激式运算单端正激式电路工作的特点是一、 二次
25、绕组同时工作,另加去磁绕组,因此运算方法与双极性电路类似.1二次绕组峰值电流等于直流输出电流,即IP2=I022二次绕组电压幅值开关电源功率变压器的设计方法Up2=Uo2 U2/DV式中： Uo2输出直流电压 VU2整流管及线路压降 V可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_D额定工作状态时的占空比 D=ton/T 3变压器输出功率P2=DUp2Ip2W式中： Up2变压器输出电压幅值 VIp2 二次绕组峰值电流 A4确定磁心体积 Ve=12.5 P2103/fcm3式中：运算系数,工作频率f=30 50kHz 时,由 Ve值挑选接近尺寸的磁心.5一次绕组匝数N1=Up1ton10 2/f匝式中： Up1变压器输入额定电压幅值V6二次绕组匝数 N2=Up2/Up1N1Ni=UpiN1/Up17去磁绕组匝数 NH=N18绕组电流有效值二次侧： I2=Ip2一次侧： I1=Up2I2/Up1去磁： IH=5 10 I1上述仅是常规运算方法, 由于所选用材料及工艺的不同, 有些数据应做相应的调整.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_仍应做漏感、分布电容、温升及窗口校核等运算,这些运算较繁琐,体会性较强,必要时请阅专著.可编辑资料 - - - 欢迎下载