開(kāi)關(guān)電源高頻變壓器的設(shè)計(jì)ppt課件

1、l變壓器根底知識(shí)變壓器根底知識(shí)1、變壓器組成：、變壓器組成：原邊繞組初級(jí)原邊繞組初級(jí)primary side 副邊繞組次級(jí)副邊繞組次級(jí)secondary side 原邊電感勵(lì)磁電感原邊電感勵(lì)磁電感-magnetizing inductance漏感漏感-leakage inductance副邊開(kāi)路或者短路丈量原邊副邊開(kāi)路或者短路丈量原邊電感分別得勵(lì)磁電感和漏感電感分別得勵(lì)磁電感和漏感匝數(shù)比：匝數(shù)比：K=Np/Ns=V1/V2l2、變壓器的構(gòu)成以及作用：、變壓器的構(gòu)成以及作用： 1電氣隔離電氣隔離 2儲(chǔ)能儲(chǔ)能 3變壓變壓 4變流變流高頻變壓器設(shè)計(jì)程序：高頻變壓器設(shè)計(jì)程序：1.磁芯資料磁芯資料 2.

2、磁芯構(gòu)造磁芯構(gòu)造3.磁芯參數(shù)磁芯參數(shù) 4.線圈參數(shù)線圈參數(shù)5.組裝構(gòu)造組裝構(gòu)造 6.溫升校核溫升校核 1.1.磁芯資料磁芯資料 軟磁鐵氧體由于本身的特點(diǎn)在開(kāi)關(guān)電源中運(yùn)用很廣泛。軟磁鐵氧體由于本身的特點(diǎn)在開(kāi)關(guān)電源中運(yùn)用很廣泛。其優(yōu)點(diǎn)是電阻率高、交流渦流損耗小，價(jià)錢廉價(jià)，易加其優(yōu)點(diǎn)是電阻率高、交流渦流損耗小，價(jià)錢廉價(jià)，易加工成各種外形的磁芯。缺陷是任務(wù)磁通密度低，磁導(dǎo)率工成各種外形的磁芯。缺陷是任務(wù)磁通密度低，磁導(dǎo)率不高，磁致伸縮大，對(duì)溫度變化比較敏感。選擇哪一類不高，磁致伸縮大，對(duì)溫度變化比較敏感。選擇哪一類軟磁鐵氧體資料更能全面滿足高頻變壓器的設(shè)計(jì)要求，軟磁鐵氧體資料更能全面滿足高頻變壓器的設(shè)

3、計(jì)要求，進(jìn)展仔細(xì)思索，才可以使設(shè)計(jì)出來(lái)的變壓器到達(dá)比較理進(jìn)展仔細(xì)思索，才可以使設(shè)計(jì)出來(lái)的變壓器到達(dá)比較理想的性能價(jià)錢比。想的性能價(jià)錢比。2.2.磁芯構(gòu)造磁芯構(gòu)造 選擇磁芯構(gòu)造時(shí)思索的因數(shù)有：降低漏磁和漏感，選擇磁芯構(gòu)造時(shí)思索的因數(shù)有：降低漏磁和漏感，添加線圈散熱面積，有利于屏蔽，線圈繞線容易，裝配添加線圈散熱面積，有利于屏蔽，線圈繞線容易，裝配接線方便等。接線方便等。 漏磁和漏感與磁芯構(gòu)造有直接關(guān)系。假設(shè)磁芯不需漏磁和漏感與磁芯構(gòu)造有直接關(guān)系。假設(shè)磁芯不需要?dú)庀?，那么盡能夠采用封鎖的環(huán)形和方框型構(gòu)造磁芯。要?dú)庀?，那么盡能夠采用封鎖的環(huán)形和方框型構(gòu)造磁芯。3.3.磁芯參數(shù)：磁芯參數(shù)： 磁芯參數(shù)設(shè)

4、計(jì)中，要特別留意任務(wù)磁通密度不只是磁芯參數(shù)設(shè)計(jì)中，要特別留意任務(wù)磁通密度不只是受磁化曲線限制，還要受損耗的限制，同時(shí)還與功率傳送的任受磁化曲線限制，還要受損耗的限制，同時(shí)還與功率傳送的任務(wù)方式有關(guān)。務(wù)方式有關(guān)。 磁通一方向變化時(shí)：磁通一方向變化時(shí)：B=Bs-BrB=Bs-Br，既受飽和磁通，既受飽和磁通密度限制，又更主要是受損耗限制，損耗引起溫升，溫升又密度限制，又更主要是受損耗限制，損耗引起溫升，溫升又會(huì)影響磁通密度。任務(wù)磁通密度會(huì)影響磁通密度。任務(wù)磁通密度Bm=0.6Bm=0.60.7B0.7B 開(kāi)氣隙可以降低開(kāi)氣隙可以降低Br,Br,以增大磁通密度變化值以增大磁通密度變化值BB，開(kāi)氣隙后

5、，勵(lì)，開(kāi)氣隙后，勵(lì)磁電流有所添加，但是可以減小磁芯體積。對(duì)于磁通雙向任務(wù)磁電流有所添加，但是可以減小磁芯體積。對(duì)于磁通雙向任務(wù)而言：而言： 最大的任務(wù)磁通密度最大的任務(wù)磁通密度BmBm，B=2BmB=2Bm。在雙方向變化任務(wù)。在雙方向變化任務(wù)方式時(shí)，還要留意由于各種緣由呵斥勵(lì)磁的正負(fù)變化的伏秒面方式時(shí)，還要留意由于各種緣由呵斥勵(lì)磁的正負(fù)變化的伏秒面積不相等，而出現(xiàn)直流偏磁問(wèn)題?？梢栽诖判局屑右粋€(gè)小氣隙，積不相等，而出現(xiàn)直流偏磁問(wèn)題?？梢栽诖判局屑右粋€(gè)小氣隙，或者在電路設(shè)計(jì)時(shí)加隔直流電容?；蛘咴陔娐吩O(shè)計(jì)時(shí)加隔直流電容。4.4.線圈參數(shù)：線圈參數(shù)： 線圈參數(shù)包括：匝數(shù)，導(dǎo)線截面直徑，導(dǎo)線方式，線圈

6、參數(shù)包括：匝數(shù)，導(dǎo)線截面直徑，導(dǎo)線方式，繞組陳列和絕緣安排。繞組陳列和絕緣安排。 導(dǎo)線截面直徑?jīng)Q議于繞組的電流密度。通常取導(dǎo)線截面直徑?jīng)Q議于繞組的電流密度。通常取J J為為2.52.54A/mm24A/mm2。導(dǎo)線直徑的選擇還要思索趨膚效應(yīng)。如。導(dǎo)線直徑的選擇還要思索趨膚效應(yīng)。如必要，還要經(jīng)過(guò)變壓器溫升校核后進(jìn)展必要的調(diào)整。必要，還要經(jīng)過(guò)變壓器溫升校核后進(jìn)展必要的調(diào)整。4.4.線圈參數(shù)：線圈參數(shù)： 普通用的繞組陳列方式：原繞組接近磁芯，副繞組反普通用的繞組陳列方式：原繞組接近磁芯，副繞組反響繞組逐漸向外陳列。下面引薦兩種繞組陳列方式：響繞組逐漸向外陳列。下面引薦兩種繞組陳列方式：1 1假設(shè)原繞

7、組電壓高例如假設(shè)原繞組電壓高例如220V220V，副繞組電壓低，可，副繞組電壓低，可以采用副繞組接近磁芯，接著繞反響繞組，原繞組在以采用副繞組接近磁芯，接著繞反響繞組，原繞組在最外層的繞組陳列方式，這樣有利于原繞組對(duì)磁芯的最外層的繞組陳列方式，這樣有利于原繞組對(duì)磁芯的絕緣安排；絕緣安排；2 2假設(shè)要添加原副繞組之間的耦合，可以采用一半原繞假設(shè)要添加原副繞組之間的耦合，可以采用一半原繞組接近磁芯，接著繞反響繞組和副繞組，最外層再繞組接近磁芯，接著繞反響繞組和副繞組，最外層再繞一半原繞組的陳列方式，這樣有利于減小漏感。一半原繞組的陳列方式，這樣有利于減小漏感。5.5.組裝構(gòu)造：組裝構(gòu)造： 高頻電源

8、變壓器組裝構(gòu)造分為臥式和立式兩種。假設(shè)高頻電源變壓器組裝構(gòu)造分為臥式和立式兩種。假設(shè)選用平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯，都采用臥式組選用平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯，都采用臥式組裝構(gòu)造。裝構(gòu)造。6.6.溫升校核：溫升校核： 溫升校核可以經(jīng)過(guò)計(jì)算和樣品測(cè)試進(jìn)展。實(shí)驗(yàn)溫升低溫升校核可以經(jīng)過(guò)計(jì)算和樣品測(cè)試進(jìn)展。實(shí)驗(yàn)溫升低于允許溫升于允許溫升1515度以上，適當(dāng)添加電流密度和減小導(dǎo)線度以上，適當(dāng)添加電流密度和減小導(dǎo)線截面，假設(shè)超越允許溫升，適當(dāng)減小電流密度和添加截面，假設(shè)超越允許溫升，適當(dāng)減小電流密度和添加導(dǎo)線截面，如添加直徑，窗口繞不下，要加大磁芯，導(dǎo)線截面，如添加直徑，窗口繞不下，要加大磁芯，添加磁

9、芯的散熱面積。添加磁芯的散熱面積。功率變壓器根據(jù)拓?fù)錁?gòu)造分為三大類：功率變壓器根據(jù)拓?fù)錁?gòu)造分為三大類：1 1反激式變壓器；反激式變壓器；2 2正激式變壓器；正激式變壓器；3 3推挽式變壓器全橋推挽式變壓器全橋/ /半橋變換器中的變壓器半橋變換器中的變壓器磁芯構(gòu)造適宜的拓?fù)錁?gòu)造方式如下頁(yè)表所示：磁芯構(gòu)造適宜的拓?fù)錁?gòu)造方式如下頁(yè)表所示：磁芯構(gòu)造變換器電路類型反激式正激式推挽式E cores +0Planar E Cores -+0EFD Cores -+ETD Cores 0+ER Cores 0+U Cores +00RM Cores 0+0EP Cores -+0P Cores -+0Ring

10、 Cores -+=+=適宜；適宜； 0=0=普通；普通；-=-=不適宜不適宜 磁芯資料的選擇應(yīng)留意的問(wèn)題：磁芯資料的選擇應(yīng)留意的問(wèn)題： 1、軟磁鐵氧體，由于具有價(jià)錢低、順應(yīng)性能和高頻性能好等特點(diǎn)，、軟磁鐵氧體，由于具有價(jià)錢低、順應(yīng)性能和高頻性能好等特點(diǎn)，而被廣泛運(yùn)用于開(kāi)關(guān)電源中。而被廣泛運(yùn)用于開(kāi)關(guān)電源中。 2、軟磁鐵氧體，常用的分為錳鋅鐵氧體和鎳鋅鐵氧體兩大系列，、軟磁鐵氧體，常用的分為錳鋅鐵氧體和鎳鋅鐵氧體兩大系列，錳鋅鐵氧體的組成部分是錳鋅鐵氧體的組成部分是Fe2O3，MnCO3，ZnO，它主要運(yùn)用在，它主要運(yùn)用在1MHz以下的各類濾波器、電感器、變壓器等，用途廣泛。而鎳鋅以下的各類濾波

11、器、電感器、變壓器等，用途廣泛。而鎳鋅鐵氧體的組成部分是鐵氧體的組成部分是Fe2O3，NiO，ZnO等，主要用于等，主要用于1MHz以上的以上的各種調(diào)感繞組、抗干擾磁珠、共用天線匹配器等。各種調(diào)感繞組、抗干擾磁珠、共用天線匹配器等。 3、在開(kāi)關(guān)電源中運(yùn)用最為廣泛的是錳鋅鐵氧體磁心，而且視其用、在開(kāi)關(guān)電源中運(yùn)用最為廣泛的是錳鋅鐵氧體磁心，而且視其用途不同，資料選擇也不一樣。用于電源輸入濾波器部分的磁心多為途不同，資料選擇也不一樣。用于電源輸入濾波器部分的磁心多為高導(dǎo)磁率磁心，其資料牌號(hào)多為高導(dǎo)磁率磁心，其資料牌號(hào)多為R4KR10K，即相對(duì)磁導(dǎo)率為，即相對(duì)磁導(dǎo)率為400010000左右的鐵氧體磁心

12、，而用于主變壓器、輸出濾波器等左右的鐵氧體磁心，而用于主變壓器、輸出濾波器等多為高飽和磁通密度的磁性資料，其多為高飽和磁通密度的磁性資料，其Bs為為0.5T即即5000GS左右。左右。開(kāi)關(guān)電源用鐵氧體磁性材應(yīng)滿足以下要求： 1具有較高的飽和磁通密度Bs和較低的剩余磁通密度Br 磁通密度Bs的高低，對(duì)于變壓器和繞制結(jié)果有一定影響。從 實(shí)際上講，Bs高，變壓器繞組匝數(shù)可以減小，銅損也隨之減小 在實(shí)踐運(yùn)用中，開(kāi)關(guān)電源高頻變換器的電路方式很多，對(duì)于變 壓器而言，其任務(wù)方式可分為兩大類： 1雙極性：電路為半橋、全橋、推挽等。變壓器一次繞組里正負(fù)半周勵(lì)磁電流大小相等，方向相反，因此對(duì)于變壓器磁心里的磁通變

13、化，也是對(duì)稱的上下挪動(dòng)，B的最大變化范圍為B=2Bm，磁心中的直流分量根本抵消。 2單極性：電路為單端正激、單端反激等，變壓器一次繞組在1個(gè)周期內(nèi)加上1個(gè)單向的方波脈沖電壓?jiǎn)味朔醇な饺绱?。變壓器磁心單向?lì)磁，磁通密度在最大值Bm到剩余磁通密度Br之間變化，這時(shí)的B=BmBr，假設(shè)減小Br，增大飽和磁通密度Bs，可以提高B，降低匝數(shù)，減小銅耗。 變壓器或者電感根據(jù)在拓?fù)錁?gòu)造中的任務(wù)方式分為三變壓器或者電感根據(jù)在拓?fù)錁?gòu)造中的任務(wù)方式分為三大類：大類：1 1、直流濾波電感任務(wù)形狀，電感磁芯只任務(wù)在、直流濾波電感任務(wù)形狀，電感磁芯只任務(wù)在一個(gè)象限。屬于這類任務(wù)形狀的電感有一個(gè)象限。屬于這類任務(wù)形狀的電

14、感有BoostBoost電感、電感、BuckBuck電感、電感、Buck/boostBuck/boost電感、正激以及一切推挽拓?fù)潆姼?、正激以及一切推挽拓?fù)渥儞Q器輸出濾波電感、單端反激變換器變壓器；變換器輸出濾波電感、單端反激變換器變壓器； 2 2、正激變換器中的變壓器，磁芯也只任務(wù)在一、正激變換器中的變壓器，磁芯也只任務(wù)在一個(gè)象限，但變壓器要進(jìn)展磁復(fù)位。個(gè)象限，但變壓器要進(jìn)展磁復(fù)位。 3 3、 推挽拓?fù)渲械淖儔浩?，磁芯是雙向交變磁化，推挽拓?fù)渲械淖儔浩鳎判臼请p向交變磁化，屬于這類的變換器有推挽變換器、半橋和全橋變換器、屬于這類的變換器有推挽變換器、半橋和全橋變換器、交流濾波電感等。交流濾波

15、電感等。2在高頻下具有較低的功率損耗 鐵氧體的功率損耗，不僅影響電源輸出效率，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致磁心發(fā)熱，波形畸變等不良后果。 變壓器的發(fā)熱問(wèn)題，在實(shí)踐運(yùn)用中極為普遍，它主要是由變壓器的銅損和磁心損耗引起的。假設(shè)在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，Bm選擇過(guò)低，繞組匝數(shù)過(guò)多，就會(huì)導(dǎo)致繞組發(fā)熱，并同時(shí)向磁心傳輸熱量，使磁心發(fā)熱。反之，假設(shè)磁心發(fā)熱為主體，也會(huì)導(dǎo)致繞組發(fā)熱。 選擇鐵氧體資料時(shí)，要求功率損耗隨溫度的變化呈負(fù)溫度系數(shù)關(guān)系。這是由于，假設(shè)磁心損耗為發(fā)熱主體，使變壓器溫度上升，而溫度上升又導(dǎo)致磁心損耗進(jìn)一步增大，從而構(gòu)成惡性循環(huán)，最終將使功率管和變壓器及其他一些元件燒毀。因此國(guó)內(nèi)外在研制功率鐵氧體時(shí)，必需處理磁性資料

16、本身功率損耗負(fù)溫度系數(shù)問(wèn)題，這也是電源用磁性資料的一個(gè)顯著特點(diǎn)，日本TDK公司的PC40及國(guó)產(chǎn)的R2KB等資料均能滿足這一要求。 3適中的磁導(dǎo)率 相對(duì)磁導(dǎo)率終究選取多少適宜呢？這要根據(jù)實(shí)踐線路的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)決議，普通相對(duì)磁導(dǎo)率為2000的資料，其適用頻率在300kHz以下，有時(shí)也可以高些，但最高不能高于500kHz。對(duì)于高于這一頻段的資料，應(yīng)選擇磁導(dǎo)率偏低一點(diǎn)的磁性資料，普通為1300左右。 4較高的居里溫度 居里溫度是表示磁性資料失去磁特性的溫度，普通資料的居里溫度在200以上，但是變壓器的實(shí)踐任務(wù)溫度不應(yīng)高于80，這是由于在100以上時(shí)，其飽和磁通密度Bs已跌至常溫時(shí)的70。因此過(guò)高的任務(wù)溫

17、度會(huì)使磁心的飽和磁通密度跌落的更嚴(yán)重。再者，當(dāng)高于100時(shí)，其功耗曾經(jīng)呈正溫度系數(shù)，會(huì)導(dǎo)致惡性循環(huán)。對(duì)于R2KB2資料，其允許功耗對(duì)應(yīng)的溫度曾經(jīng)到達(dá)110，居里溫度高達(dá)240，滿足高溫運(yùn)用要求。 變壓器的設(shè)計(jì)原那么及方法變壓器的設(shè)計(jì)原那么及方法設(shè)計(jì)變壓器主要有很兩種方法：面積積設(shè)計(jì)變壓器主要有很兩種方法：面積積AP法法 AP：磁芯截面積：磁芯截面積Ae與線圈與線圈有效窗口面積有效窗口面積Aw的乘積。的乘積。 PT-變壓器的計(jì)算功率變壓器的計(jì)算功率Ae-磁芯有效截面積磁芯有效截面積Aw-磁芯窗口面積磁芯窗口面積Ko-磁芯窗口利用系數(shù)，典型值為磁芯窗口利用系數(shù)，典型值為0.4Kf-波形系數(shù)，方波為

18、波形系數(shù)，方波為4，正弦波為，正弦波為4.44Bw-磁芯的任務(wù)磁感強(qiáng)度磁芯的任務(wù)磁感強(qiáng)度Fs-開(kāi)關(guān)任務(wù)頻率開(kāi)關(guān)任務(wù)頻率Kj-電流密度系數(shù)，取電流密度系數(shù)，取395A/cm2X-磁芯構(gòu)造系數(shù)，磁芯構(gòu)造系數(shù)，P107表表3-8按照功率變壓器的設(shè)計(jì)方法，用面積積按照功率變壓器的設(shè)計(jì)方法，用面積積AP法法設(shè)計(jì)變壓器的普通步驟：設(shè)計(jì)變壓器的普通步驟：1 .選擇磁芯資料，計(jì)算變壓器的視在功率；選擇磁芯資料，計(jì)算變壓器的視在功率；2. 確定磁芯截面尺寸確定磁芯截面尺寸AP，根據(jù)，根據(jù)AP值選擇磁芯值選擇磁芯尺寸；尺寸；3. 計(jì)算原副邊電感量及匝數(shù)；計(jì)算原副邊電感量及匝數(shù)；4. 計(jì)算空氣隙的長(zhǎng)度；計(jì)算空氣隙的

19、長(zhǎng)度；5. 根據(jù)電流密度和原副邊有效值電流求線徑；根據(jù)電流密度和原副邊有效值電流求線徑；6. 求銅損和鐵損能否滿足要求比如：允許求銅損和鐵損能否滿足要求比如：允許損耗和溫升損耗和溫升選擇磁芯資料，確定變壓器的視在功率選擇磁芯資料，確定變壓器的視在功率PTPT； 思索本錢因數(shù)在此選擇思索本錢因數(shù)在此選擇PC40PC40材質(zhì)，查材質(zhì)，查PC40PC40資料得資料得 Bs=0.39T Br=0.06T Bs=0.39T Br=0.06T max0.390.060.33srBBBTTT 為了防止磁芯的瞬間出現(xiàn)飽和，預(yù)留一定裕量，取為了防止磁芯的瞬間出現(xiàn)飽和，預(yù)留一定裕量，取 Bm= BmaxBm= B

20、max* *0.6=0.198T 0.6=0.198T 取取0.2T0.2T電源的根本參數(shù)如右：電源的根本參數(shù)如右：選擇反激拓?fù)洹＿x擇反激拓?fù)洹?. 2. 計(jì)算計(jì)算AP AP 用用ExcelExcel表格來(lái)計(jì)算表格來(lái)計(jì)算APAP值值變壓器視在功率變壓器視在功率PTPT：對(duì)于反激拓?fù)鋪?lái)說(shuō)，：對(duì)于反激拓?fù)鋪?lái)說(shuō)，(21 1)*3(21 1)*3148.50.8outTinoutoutPPPPPW44*100.783*1000*TmsuPAPcmBfJK式中：式中： J J電流密度，通常取電流密度，通常取395A/cm2; 395A/cm2; KuKu是銅窗有效運(yùn)用系數(shù)，根據(jù)安規(guī)要求和輸出路數(shù)決議，普

21、是銅窗有效運(yùn)用系數(shù)，根據(jù)安規(guī)要求和輸出路數(shù)決議，普通取通取0.20.20.40.4。在此計(jì)算取。在此計(jì)算取0.40.4 根據(jù)上圖，選擇大于計(jì)算根據(jù)上圖，選擇大于計(jì)算APAP值的磁芯值的磁芯EE3528EE3528，相關(guān)參數(shù)是：，相關(guān)參數(shù)是： Ae:84.8mm2 APAe:84.8mm2 AP：1.3398cm41.3398cm4 Wa Wa：158mm2 AL158mm2 AL：2600nH/H22600nH/H2 反為了順應(yīng)突變的負(fù)載電流，把電源設(shè)計(jì)在臨界方式：反為了順應(yīng)突變的負(fù)載電流，把電源設(shè)計(jì)在臨界方式：臨界電流臨界電流I0B=0.8I0B=0.8I0=2.4A I0=2.4A 3.

22、3. 計(jì)算原、副邊電感量及匝數(shù)計(jì)算原、副邊電感量及匝數(shù)原、副邊峰值電流原、副邊峰值電流 原、副邊及輔助繞原、副邊及輔助繞組的匝數(shù)組的匝數(shù) 為了防止磁芯飽和，在磁回路中參與一個(gè)適當(dāng)?shù)臍庀叮?jì)為了防止磁芯飽和，在磁回路中參與一個(gè)適當(dāng)?shù)臍庀?，?jì)算如下：算如下：2820.4*10l0.4 * 3.14156 *106* 84.80.831434 * 0.001pegpNALm md1.13*0.346prmswpImmJ 5. 5.原、副邊及輔助繞組的線徑原、副邊及輔助繞組的線徑有兩種方法：有兩種方法：1 1、求裸線面積；、求裸線面積； 2 2、求導(dǎo)線直徑、求導(dǎo)線直徑 J J電流密度取電流密度取4A/mm2)4A/mm2) 用兩根直徑為用兩根直徑為0.18mm0.18mm線并繞，或者用線并繞，或者用AWG #28AWG #28單股線單股線32*0.77A0.731*10rmsxpIcmJ 能夠要用氣隙磁通邊緣效應(yīng)校正匝數(shù)能夠要用氣隙磁通邊緣效應(yīng)校正匝數(shù) 次級(jí)線徑：次級(jí)線徑：0d1.13*1.0wpImmJ 用用4 4根直徑為根直徑為0.25mm0.25mmAWG #31AWG #31的線并繞。的線并繞。 電流趨膚深度的計(jì)算電流趨膚深度的計(jì)算76.5*10000.31