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1、精品_精品资料_高频变压器制作与技术参数脉冲变压器也可称作开关变压器,或简洁的称作高频变压器.在传统的高频变压器设计中,由于磁芯材料的限制,其工作频率较低,一般在20kHz 左右.随着电源技术的不断进展,电源系统的小型化、高频化和大功率化已成为一个永恒的讨论方向和进展趋势.因此,讨论使用频率更高的电源变压器是降低电源系统体积、提 高电源输出功率比的关键因素.随着应用技术领域的不断扩展,开关电源的应用愈来愈广泛,但制作开关电源的主要技术和耗费主要精力就是制作开关变压器的部件.开关变压器与一般变压器的区分大致有以下几点：1 电源电压不是正弦波,而是沟通方波,初级绕组中电流都是非正弦波.2 变压器的
2、工作频率比较高,通常都在几十赫兹,甚至高达几十万赫兹.在确定铁芯材料及损耗时必需考虑能满意高频工作的需要及铁芯中有高次谐波的影响.3 绕组线路比较复杂,多半都有中心抽头.这不仅增大了初级绕组的尺寸,增大了变压器的体积和重量,而且使绕组在铁芯窗口中的分布关系发生变化.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_图 1 开关电源原理图本 文介绍了一款如图1 所示的 DC DC变换器,输入电压为直流24V,输出电压分别为5V 及 12V 的多路直流输出.要求各路输出电流都在lA 以上,核心器件是美国 Unitrode公司生产的一种高性能单端输出式电流掌握型脉宽调制器芯片UC3842,最高工作频率
3、可达200kHz.依据锌锰铁氧体合金的优异电磁性能,通过具体示例介绍工作频率为100kHz 的高频开关电源变压器的设计及留意事项.2 变压器磁芯的挑选与工作点的确定2. 1 磁芯材料的挑选从变压器的性能指标要求可知,传统的薄带硅钢已很难满意变压器在频率、使用环境方面的设计要求.磁芯的材料只有从坡莫合金、铁氧体材料、钴基非晶态合金和超微晶合金几种材可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_料中来考虑.坡莫合金、钴基非晶态价格高,约为铁氧体材料的数倍,而饱和磁感应强度不是很高,且加工工艺复杂.考虑到我们所要求的电源输出功率并不高,大约为Bs 也30W,因此,综合几种材料的性能比较,我们仍是挑
4、选了饱和磁感应强度Bs 较高,温度稳固性好,价格低廉,加工便利的性价比较低的锌锰铁氧体材料,并选以此材料作为框架的EI28 来绕制本例中的脉冲变压器.2 2 工作点的确定根 据相关资料, EC35 输出功率为50W,饱和磁感应强度大约在2022Gs 左右.买来的磁芯,由于厂家供应的磁感应强度月,值并不精确,可用图2 所供应的 方式粗略测试一下.将调压器接至原线圈,用示波器观看副线圈输出电压波形.将原线圈的输入电压由小到大渐渐升高,直到示波器显示的波形发生奇变.此时,磁芯已饱和,依据公式：U 4 44fN 1 m可推知在工频时的 m值.要求不高时,可依据测算出的 m,粗略估算出原线圈的匝数,.可
5、编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_图 2 工作点测试示意图3 变压器主要参数的运算本 例中的变换器采纳单端反激式工作方式,单端反激变换器在小功率开关电源设计中应用特别广泛,且多路输出较便利.单端反激电源的工作模式有两种：电留恋续模式和电流断续模式.前者适用于较小功率,副边二极管存在没有反向复原的问题,但MOS管的峰值电流相对较大.后者 MOS管的峰值电流相对较小,但存在副边二极管的反向复原问题,需要给二极管加吸 收电路.这两种工作模式可依据实际需求来挑选,本文采纳了后者.3设计变压器时大多需要考虑下面问题：变换器频率fH2 .初级电压U1V ,次级电压U2V .次级电流 i 2A
6、.绕组线路参数n1 、, n2 .温升 .绕组相对电压降u.环境温度HJ .绝缘材料密度 zg cm1) 依据变压器的输出功率选取铁芯,所选取的铁芯的户,值应等于或大于给定值.2) 绕组每伏匝数可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_1ST 是铁芯的截面积. kT 是窗口的填充系数.3 初级绕组电势E1 U11 24 初级绕组匝数W1W0El35 次级绕组电势E2i U2i1+46 次级绕组匝数W2i W0E2i57 初级绕组电流可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_68) 次级绕组电流7其中, n1、n2：分别是初级绕组和次级绕组的每层匝数.9) 初级绕组线径810) 次级
7、绕组线径9其中, j 是电流密度.具体的变压器设计方法与运算相当复杂,本文参照体会公式,依据下面的步骤设计了本例转换器中的高频变压器.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_3. 1 确定变压器的变比依据输出电压 U0 的关系式10得变比为11式中 UD 为整流器输出的直流电压.本例中 UD 24V, f 为 100kHz, t ON取 0 5. n 2.3 2 运算初级线圈中的电流已知输出直流电压U0 12V、 5V,负载电流均为I 0 lA ,就输出功率P0 P1+P2+P3 29W开关电源的效率 一般在 60 90%之间,本例取 0 65,就输入功率为初级的平均电流为可编辑资料
8、- - - 欢迎下载精品_精品资料_假定初级线圈的初始电流为零,那么,在开关管的导通期t ON里,初级线圈中的电流心便从零开头线性增长到峰值I 1P3 3 运算初级绕组圈数N1初级绕组的最小电感L1 为依据输出功率 P 的大小,选用适当的磁芯,其外形用环形、EI 形或罐形均可,本例采纳EI28 ,该类型的铁芯在f 50kHz 时,功率可达到60W,在 f 100kHz 时,输出功率可达到90W.式中 I lp 初级线圈峰值电流,A. L1初级电感, H. S磁芯截面积,mm2.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_Bm磁芯最大磁通密度,T.3 4 运算次级绕组圈数N2即 12V 分别
9、绕 5 匝, 5V 绕 3 匝.3 5 反馈绕组 N3 的估算反馈绕组匝数的确定,要求既能保证开关元件的饱和导通又不至于造成过大损耗.依据UC3842的要求,反馈绕组的输出电压应在13V 左右.因此,3. 6 导线线径的选取依据输入输出的估算,初线线圈的平均电流值应当答应达到2A.1) 初级绕组2初级绕组的线径可选d 0 80mm,其截面积为 0 5027mm的圆铜线.2) 次级绕组次级绕组的线径可依据各组输出电流的大小,利用原级相同线径采纳多股并绕的方法解决.为了便利线圈绕制,也可选用线径较粗的导线.由于工作频率较高,应考虑集肤效应的影响.3. 7 线圈绕制与绝缘可编辑资料 - - - 欢迎
10、下载精品_精品资料_绕制开关变压器最重要的问题是想方法使初、次级线圈紧密的耦合在一起,这样可以减小变压器漏感,由于漏感过大,将会造成较大的尖峰脉冲,从而击穿开关管.因此,在绕制高频变压器线圈时,应尽量使初、次级线圈之间的距离近些.具体可采纳以下方法：(1) 双线并绕法将初、次级线圈的漆包线合起来并绕,即所谓双线并绕.这样初、次级线间距离最小,可使漏感减小到最小值.但这种绕法不好绕制,同时两线间的耐压值较低.(2) 逐层间绕法为克服并绕法耐压低、绕制困难的缺点,用初、次级分层间绕法,即1、3、 5 行奇数层绕初级绕组, 2、4、6 等偶数层绕次级绕组.这种绕法仍可保持初、次级间的耦合,又可在初、
11、次级间垫绝缘纸,以提高绝缘程度.(3) 夹层式绕法把次级绕组绕在初级绕组的中间,初级分两次绕.这种绕法只在初级绕组中多一个接头, 工艺简洁,便于批量生产.本 例中,为减小分布参数的影响,初级采纳双线并绕连接的结构,次级采纳分段绕制,串联相接的方式,即所谓堆叠绕法.降低绕组间的电压差,提高变压器的牢靠性.在变压器的绝缘方面,线圈绝缘应尽量选用抗电强度高、介质损耗低的复合纤维绝缘纸,提高初、次级之间的绝缘强度和抗电晕才能,本例中,由于不涉及高压,绝缘问题不必特别考虑.4 终止语绕 制脉冲变压器是制作开关电源的重要工作,也是设计与制作过程中消耗大量时间和主要精力的工作.变压器做得好,整个设计与制作工
12、作就完成了70%以上.做得不好,可能就会显现停振、啸叫或输出电压不稳、负载才能不高等现象.在变压器的温升35,绕制良好的脉冲变压器的工作效率可达到90%以上,且 波形质量优异,电性能参数稳固.在100kHz 的使用条件下,脉冲变压器的体积可以大大减小.绕制变压器时,要尽最大的努力保证以下几点：(1) 即使输入电压最大,主开关器件导通时间最长,也不至于使变压器的磁芯饱和.(2) 初级线圈与次级线圈的耦合要好,漏电感要小.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_3 高频开关变压器会因集肤效应导致电线的电阻值增大,因而要减小电流密度.通常,工作时的最大磁通密度取决于次级线圈.124 一般来说,采纳铁氧体磁芯E128 时,要把 Bm掌握在 3kGs 以下.可编辑资料 - - - 欢迎下载