第四章開關(guān)電源中高頻磁元件設(shè)計(jì) - 副本

1、第四章 開關(guān)電源中的高頻 磁元件設(shè)計(jì)4.1 磁性材料的概述磁性材料的概述4.1.1 磁元件在開關(guān)電源中的作用 磁元件是由繞組和磁芯構(gòu)成，繞組可以是一個(gè)繞組，也可以是2個(gè)或多個(gè)。 磁性元件是儲(chǔ)能、轉(zhuǎn)換及隔離所必備的元件，常把它作為變壓器或電感器使用。4.1 磁性材料的概述磁性材料的概述（1）當(dāng)變壓器用時(shí)的主要作用1.電氣隔離、能量傳遞、根據(jù)變比不同，可實(shí)現(xiàn)升、降壓，即基本功能；2.電壓、電流測(cè)量，即電壓互感器、電流互感器；3.大功率整流副邊相移不同，有利紋波系數(shù)減小，即多脈波整流電路。4.1 磁性材料的概述磁性材料的概述（2）當(dāng)電感器用時(shí)的主要作用1.儲(chǔ)能，濾波；2.抑制電流尖峰，保護(hù)易受電流損

2、壞的電子元器件；3.在開關(guān)變換電路中，與電容產(chǎn)生諧振，實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)。4.1 磁性材料的概述磁性材料的概述 4.1.2 磁元件設(shè)計(jì)的重要意義 由于變壓器和電感器涉及的參數(shù)太多，同時(shí)，磁材料特性的非線性、特性與溫度、頻率、氣息的依賴性和參數(shù)不易測(cè)量性，使人們不易透徹掌握其工作情況。不計(jì)其數(shù)的規(guī)格使得絕大多數(shù)磁元件要自行設(shè)計(jì)，或提供參數(shù)委托設(shè)計(jì)、加工。4.1 磁性材料的概述磁性材料的概述4.1.3 磁性材料的磁化 被磁化的物質(zhì)稱為磁介質(zhì)。將磁性材料放到磁場(chǎng)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度顯著增大，磁場(chǎng)使得磁性材料呈現(xiàn)磁性的現(xiàn)象稱為磁性材料的磁化。磁性材料在其內(nèi)部有許多自發(fā)磁化的小區(qū)域，即磁疇。4.1 磁性材料的

3、概述磁性材料的概述 如圖4-1所示，在沒有外磁場(chǎng)作用時(shí)，這些磁疇排列方向雜亂無(wú)章，見圖4-1（a），小磁疇間的磁場(chǎng)是相互抵消的，整個(gè)磁介質(zhì)對(duì)外不呈現(xiàn)磁性。()a( )b( )c( )d4.1 磁性材料的概述磁性材料的概述 將磁性材料放在一個(gè)載流線圈中，在電流產(chǎn)生的外磁場(chǎng)作用下，材料中的磁疇順著磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，加強(qiáng)了材料內(nèi)的磁場(chǎng)。外磁場(chǎng)的增強(qiáng)，使得轉(zhuǎn)到外磁場(chǎng)方向的磁疇越來(lái)越多，與外磁場(chǎng)同向的磁感應(yīng)強(qiáng)度就越強(qiáng)，見圖4-1（b）4-1（d），這就是材料被磁化。()a( )b( )c( )d4.1 磁性材料的概述磁性材料的概述（1）磁性材料的磁化過(guò)程 如將完全無(wú)磁狀態(tài)的鐵磁物質(zhì)放在磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)強(qiáng)度從零逐

4、漸增加，測(cè)量鐵磁物質(zhì)的磁通密度B，得到磁通密度和磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間關(guān)系，并用B-H曲線表示，該曲線稱為磁化曲線，如圖4-2曲線C所示。 磁化分為可逆和不可逆。4.1 磁性材料的概述磁性材料的概述鐵磁材料的B和H的關(guān)系可表示為： B=J+0H式中 J磁化強(qiáng)度 0真空磁導(dǎo)率 H磁場(chǎng)強(qiáng)度 從材料的零磁化狀態(tài)磁化到飽和狀態(tài)的磁化曲線，通常稱為初始磁化曲線。4.1 磁性材料的概述磁性材料的概述（2）飽和磁滯回線 如果將磁性材料沿磁化曲線OS由完全磁狀態(tài)磁化到飽和Bs,如圖4-3所示，如將外磁場(chǎng)H減小，B值將不再按照原來(lái)的初始磁化曲線（OS）減小，而是更加緩慢地眼較高的B減小，這是因?yàn)榘l(fā)生剛性轉(zhuǎn)動(dòng)的磁疇保留了

5、外磁場(chǎng)方向。這種磁化曲線與退磁曲線不重合特性稱為磁化的不可逆性，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的改變滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度H的現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象。4.1 磁性材料的概述磁性材料的概述 當(dāng)反向磁場(chǎng)強(qiáng)度增加到-Hs時(shí)，則B=-Bs打到反向。如果使H=0，B=-Br，要使-Br為零，必須增加正向Hc。如H再增大到Hs時(shí)，B達(dá)到最大值Bs，磁介質(zhì)又達(dá)到正向飽和。這樣磁場(chǎng)強(qiáng)度由 Hs0-Hc-Hs0HcHs，相應(yīng)的，磁感應(yīng)強(qiáng)度由BsBr0-Bs-Br0Bs，形成一個(gè)對(duì)原點(diǎn)O對(duì)稱的回線，稱為飽和磁滯回線，或最大磁滯回線。4.1 磁性材料的概述磁性材料的概述4.1.4 磁性材料的基本特性（1）初始磁導(dǎo)率i 初始磁導(dǎo)率是磁性材料的初始磁

6、化曲線始端磁導(dǎo)率的極限值，即式中0真空磁導(dǎo)率（4 H/m ）； H磁場(chǎng)強(qiáng)度（A/m）; B磁感應(yīng)強(qiáng)度(T)01limiHBH7104.1 磁性材料的概述磁性材料的概述(2)有效磁導(dǎo)率r 在閉合磁路中，或多或少地存在著氣隙，若氣隙很小可以忽略，則可以用有效磁導(dǎo)率來(lái)表征磁芯的導(dǎo)磁能力：式中 L線圈的自感量（mH） N線圈匝數(shù) l/Ae磁芯常數(shù)，是磁路長(zhǎng)度l與磁芯截面積Ae之比值（mm ）721104reLNA14.1 磁性材料的概述磁性材料的概述（3）飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs 隨著磁芯中磁場(chǎng)強(qiáng)度H的增加，剩余的磁感應(yīng)強(qiáng)度出現(xiàn)飽和時(shí)的B值，稱飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs（如圖4-3）。（4）剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br 磁芯

7、從磁飽和狀態(tài)去除磁場(chǎng)后，剩余的磁感應(yīng)強(qiáng)度或殘留磁通密度（如圖4-3）。4.1 磁性材料的概述磁性材料的概述（5）矯頑力Hc 磁芯從飽和狀態(tài)去除磁場(chǎng)后，繼續(xù)反向磁化直至磁感應(yīng)強(qiáng)度減小到零，此時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度稱為矯頑力或保磁力（如圖4-3）。（6）溫度系數(shù)a 溫度系數(shù)為溫度在T1T2范圍內(nèi)變化時(shí)，溫度每變化1C，磁導(dǎo)率的相對(duì)變化量，即 （T2T1）式中 1溫度為T1時(shí)的磁導(dǎo)率 2溫度為T2時(shí)的磁導(dǎo)率211211TT4.1 磁性材料的概述磁性材料的概述（7）居里溫度Tc 在該溫度下，磁芯的磁狀態(tài)由鐵磁性轉(zhuǎn)變成順磁性，其定義如圖4-4所示，即在-T曲線上，80%的max與20%的max連線與=1的交叉點(diǎn)相

8、對(duì)應(yīng)的溫度，即為居里溫度Tc。4.1 磁性材料的概述磁性材料的概述（8）磁芯損耗（鐵損）Pc 磁芯在工作磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)的單位體積損耗，該工作磁感應(yīng)強(qiáng)度可表示為：式中 Bw工作磁感應(yīng)強(qiáng)度（mT）； Us線圈兩端的電壓（V）； f 頻率（kHz）； N線圈匝數(shù)； Ae有效截面積（mm）6104.44sweUBfNA4.1 磁性材料的概述磁性材料的概述 磁芯損耗包括磁滯損耗、渦流損耗、殘留損耗。作為工程計(jì)算，磁滯損耗可用下式表示：式中 f頻率； Bm最大磁通密度； Kh比例系數(shù)，因材質(zhì)而異。1.6HhmPK fB4.1 磁性材料的概述磁性材料的概述 渦流損耗是交變磁場(chǎng)在磁芯中產(chǎn)生環(huán)流引起的歐姆損耗，表

9、示為：式中 d密度 磁芯的電阻率222216WWPd Bf4.1 磁性材料的概述磁性材料的概述（9）電感系數(shù)AL 電感系數(shù)是磁芯上每一匝線圈產(chǎn)生的自感量，即式中 L磁芯線圈的自感量（H） N線圈匝數(shù)22(/)LLAH NN4.2 磁性材料磁性材料4.2.1 磁芯磁性能 在開關(guān)電源中，高頻變壓器磁芯大多是低磁場(chǎng)下使用的軟磁材料，它有較高的磁導(dǎo)率、較低的矯頑力、較高的電阻率。 各種磁芯材料之特性比較可見書上表4-1所列。4.2 磁性材料磁性材料4.2.2 磁芯的分類 按使用時(shí)磁化過(guò)程所產(chǎn)生磁力線的路徑，磁芯可分為開路磁芯和閉路磁芯兩類。（1）開路磁芯（OP類磁芯） 這類磁芯的磁路是開啟的，通過(guò)磁芯

10、的同時(shí)要通過(guò)周圍空間（氣隙）才能形成閉合磁路。開路磁芯在磁路各個(gè)截面上的磁通不相等，這是開路磁芯的特點(diǎn)。 開路磁芯有棒形、螺紋形、管形、片形、軸向引線磁芯等。4.2 磁性材料磁性材料（2）閉路磁芯（CL類磁芯） 這類磁芯的磁路是閉合的或基本閉合的。最典型的閉路磁芯是環(huán)形磁芯。 在高頻開關(guān)電源中大都使用閉路磁芯，目前組合型的閉路磁路磁芯使用最為廣泛，它的磁導(dǎo)率基本上等于初始磁導(dǎo)率，但不完全等于初始磁導(dǎo)率。 閉路磁芯的形狀主要有：1.罐形磁芯 2.E形磁芯 3.C形磁芯 4.環(huán)形磁芯4.2 磁性材料磁性材料 幾種常見的磁芯外形結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-5所示（圖中陰影部分為磁芯截面形狀）4.2 磁性材料磁

11、性材料 如果把罐形磁芯外圓切掉一部分，或與其他形狀的磁芯綜合，則變成通風(fēng)良好的磁芯，解決了罐形磁芯溫升過(guò)高的問(wèn)題，如圖4-6所示。4.2 磁性材料磁性材料磁芯的選擇： 磁芯的使用一定要在居里溫度以內(nèi)，這是選擇磁芯材質(zhì)首先要顧及的問(wèn)題，其次是磁導(dǎo)系數(shù)大小、脆度、硬度、溫度穩(wěn)定性、磁導(dǎo)系數(shù)與磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系等方面進(jìn)行綜合考慮，最后還要考慮工作頻率和噪聲。4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法4.3.1 變壓器設(shè)計(jì)一般問(wèn)題1.變壓器功能 開關(guān)電源中功率變壓器的主要目的是傳輸功率，將電源的能量瞬時(shí)地傳輸?shù)截?fù)載。此外變壓器還提供其他重要的功能。（1）通過(guò)改變初級(jí)與次級(jí)匝比，獲得所需的輸出電壓；（2）

12、增加多個(gè)不同匝數(shù)的次級(jí)，獲得不同的多路輸出電 壓；（3）變壓器能方便地實(shí)現(xiàn)輸入和輸出之間的電氣隔離。4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法2.變壓器的寄生參數(shù)及其影響 理想變壓器和實(shí)際變壓器的區(qū)別在于理想變壓器不儲(chǔ)存任何能量，而實(shí)際變壓器都存儲(chǔ)一些不希望的能量。（1）漏感能量 線圈間不耦合磁通經(jīng)過(guò)的空間存儲(chǔ)的能量。在等效電路中，漏感與理想變壓器線圈串聯(lián)，其存儲(chǔ)能量與負(fù)載電流和激勵(lì)線圈電流的平方成正比。（2）激磁電感能量 有限磁導(dǎo)率的磁芯中和兩半磁芯結(jié)合氣隙存儲(chǔ)的能量。在等效電路中，激磁電感與理想變壓器初級(jí)線圈（負(fù)載）并聯(lián)。存儲(chǔ)的能量與加到線圈上每匝伏特有關(guān)，與負(fù)載電流無(wú)關(guān)。 4.3 高頻

13、變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法 為防止電壓尖峰造成開關(guān)器件的損壞，電路中采用緩沖或鉗位電路抑制電壓尖峰。選擇器件時(shí)要考慮一定的安全裕量，一般選擇開關(guān)器件的額定電壓為實(shí)際承受電壓的23倍； 漏感和激磁電感降低變換器的效率。因此，通常在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，應(yīng)盡量減少變壓器的漏感。4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法3.溫升和損耗 變壓器損耗使得線圈和磁芯溫度提高，線圈中心靠近磁芯表面溫度最高，此最大“熱點(diǎn)”限制了變壓器的溫升。根據(jù)“熱路”歐姆定律，溫升T（C）等于變壓器熱阻Rth（C/W）乘以功率損耗P（W），即thTR P 4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法 變壓器損耗分為磁芯損耗

14、和線圈損耗兩部分。磁芯損耗包括磁滯損耗和渦流損耗，線圈損耗包括直流損耗和高頻損耗。（1）磁芯損耗 磁芯磁滯損耗與頻率和磁通擺幅有關(guān)。在所有類和類磁芯工作狀態(tài)（正激和推挽類拓?fù)洌┲?當(dāng)工作頻率固定，磁通變化量是常數(shù)，所以磁滯損耗是常數(shù)，與Ui和負(fù)載電流無(wú)關(guān)。/oiUDU n4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法磁芯渦流損耗實(shí)際上即磁芯材料的電阻損耗IR。渦流大小正比于磁通變化率，即與變壓器伏/匝成正比。 開關(guān)電源變壓器磁芯大多數(shù)應(yīng)用鐵氧體材料。在類工作狀態(tài)，50kHz以下，大多數(shù)功率鐵氧材料工作磁感應(yīng)強(qiáng)度選取0.16T；而在50kHz以上，工作磁感應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)隨頻率升高而下降。一般在給定的工作

15、頻率下，按比損耗100200mW/cm選取磁感應(yīng)強(qiáng)度擺幅。在200300kHz以下，磁滯損耗為主。在更高頻率時(shí)，因?yàn)闇u流損耗隨頻率平方上升，超過(guò)磁滯損耗。不同頻率下比損耗與峰值磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系（100 C）4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法（2）線圈損耗 在正激或推挽類拓?fù)渲?，如果波紋低于斜坡中心值的1/5時(shí)，次級(jí)峰值電流可以近似等于負(fù)載電流，即I2P=Io，而初級(jí)峰值電流等于負(fù)載電流除以匝數(shù)比，I1P=I2P/n。 線圈損耗正比于占空比D，反比于Ui，在最低Ui時(shí)最大。4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法4.窗口填充系數(shù)（1）高壓時(shí)，為滿足安全絕緣要求，線圈端部有留邊、爬電

16、距離以及絕緣材料占窗口面積很大的百分比。小變壓器更嚴(yán)重，因?yàn)楣羌苓M(jìn)一步減少了有效面積，可考慮采用加重絕緣導(dǎo)線，可不必預(yù)留爬電距離。（2）導(dǎo)線形狀不同，窗口的利用不同。一般實(shí)際窗口總利用率為0.250.5。4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法5.電路拓?fù)?反激電路主要用于功率范圍0150W，單端正激變換器范圍為50500W，半橋?yàn)?001000W，而全橋應(yīng)為500W以上。 次級(jí)橋式整流的全橋和半橋變換器利用率最好。 所有推挽拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是在給定開關(guān)頻率、相同紋波和閉環(huán)能力時(shí)，變壓器和線圈工作頻率時(shí)1/2，減少了磁芯和交流線圈損耗。 正激變換器變壓器利用率和效率均最差，線圈和磁芯的最大工作時(shí)

17、間都只有1/2周期。4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法6.頻率 在開關(guān)電源中“頻率”有幾個(gè)含義，容易發(fā)生混淆?！伴_關(guān)頻率”fs定義為開關(guān)驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率。在單端正激變換器中，功率開關(guān)、變壓器、輸出整流器和輸出濾波器都工作在開關(guān)頻率，不會(huì)發(fā)生混淆。“時(shí)鐘頻率”是控制IC芯片產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖頻率。 通常情況下，單端IC控制芯片用于單端變換器時(shí)，IC芯片的時(shí)鐘頻率與變換器開關(guān)頻率相同。4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法7.占空比 占空比D定義為功率開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間Ton與開關(guān)周期T的比：D=Ton/T。在推挽類變換器中，時(shí)常發(fā)生混亂。例如，在半橋電路工作于最低電壓時(shí)，假設(shè)占空比D=0.4

18、5，則變壓器在90%的時(shí)間傳輸功率、90%的時(shí)間電壓脈沖加在輸入濾波器上等。 但對(duì)于單個(gè)功率開關(guān)和單個(gè)整流器，總是交替導(dǎo)通，占空比僅45%。輸出濾波器可以看成2D=20.5Ton/0.5T=2Ton/T。在整個(gè)電源設(shè)計(jì)，應(yīng)保持D的定義一致。4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法 當(dāng)輸出電壓恒定時(shí)，穩(wěn)態(tài)情況下變壓器線圈上的伏秒為常數(shù)，與電網(wǎng)電壓和負(fù)載電流無(wú)關(guān)。當(dāng)輸入電壓最低時(shí)，占空比最大，還要考慮到最大占空比的限制。（1）根據(jù)輸入、輸出電壓調(diào)節(jié)范圍，在輸入電壓最低時(shí)應(yīng)保證輸出最高電壓，即最大占空比Dmax。實(shí)際電路中，存在整流二極管壓降、初級(jí)和次級(jí)線圈電阻、濾波電感電阻以及開關(guān)管壓降，也影

19、響最大占空比。4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法（2）正激變換器的變壓器，在每個(gè)開關(guān)周期中導(dǎo)通磁化后必須使磁芯復(fù)位。如果復(fù)位反向電壓被Ui鉗位，同時(shí)復(fù)位線圈與初級(jí)線圈匝數(shù)相等，必須限制最大占空比小于0.5，因?yàn)閺?fù)位所需時(shí)間等于導(dǎo)通時(shí)間，同時(shí)還應(yīng)考慮開關(guān)管的關(guān)斷延遲時(shí)間。 在推挽類變換器（橋式、半橋、推挽）中，考慮互補(bǔ)開關(guān)管轉(zhuǎn)換時(shí)的邏輯延時(shí)時(shí)間，每只開關(guān)管的占空比也應(yīng)小于0.5。4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法（3）如果在低輸入電壓Ui正好達(dá)到最大占空比Dmax，當(dāng)出現(xiàn)突加負(fù)載時(shí)，調(diào)節(jié)器沒有備份的伏秒能力，不能影響負(fù)載的突變，造成電壓較大的跌落，因此希望在這種情況下占空比仍

20、有一定的增大空間，不至于突加負(fù)載時(shí)造成較大的電壓跌落，這時(shí)的占空比稱極限占空比Dlim，通常DmaxDlim。4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法（4）在電源啟動(dòng)或突加負(fù)載時(shí)，瞬時(shí)造成輸出電壓跌落。反饋電路將占空比推向Dlim。由于輸出濾波電感限制了輸出電流的上升率，輸出電壓不能很快回升，以至于幾個(gè)開關(guān)周期工作在極限D(zhuǎn)lim。為防止磁芯飽和，電路可采用軟啟動(dòng)。4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法8.匝數(shù)和匝比的選取 匝數(shù)的整取 分?jǐn)?shù)匝4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法9.磁通偏移 根據(jù)電磁感應(yīng)定律，一個(gè)線圈包圍的磁通等于每匝伏秒的積分。這意味著任何磁器件的任何線圈上電

21、壓，一個(gè)周期內(nèi)平均電壓必須為零。 在低頻率主變壓器中，初級(jí)線圈的電阻壓降足以限制磁芯趨向飽和。 在高頻開關(guān)電源中，理論上推挽驅(qū)動(dòng)波形是對(duì)稱的，開關(guān)期間相等的正負(fù)伏秒交替加到線圈上，將磁芯磁化然后復(fù)位到初始狀態(tài)。 電壓型任何推挽電路拓?fù)洌ㄈ珮?，半橋和中心抽頭推挽），磁通偏移問(wèn)題最為嚴(yán)重。4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法10.磁芯選擇1. 材料 功率鐵氧體，高頻下材料具有很高電阻率，因而渦流損耗低、價(jià)格低是高頻變壓器磁芯首選材料。但磁導(dǎo)率通常較低，磁化電流因此較大，有時(shí)需用緩沖和箝位電路處理。 4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法2磁芯形狀 磁芯窗口應(yīng)盡可能寬。加大線圈寬度可減

22、少線圈的層數(shù)。使交流電阻Rac和漏感減少。還有，固定的爬電尺寸對(duì)寬窗口影響較小。寬窗口需要線圈高度低，因此更好利用線圈窗口面積。4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法3 磁芯尺寸（1）面積乘積法面積乘積的粗略預(yù)計(jì)：其中 Po輸出功率(W)； B磁通密度變化量(T)； f變壓器工作頻率(Hz)； K0.014（正激變換器，推挽中心抽頭），0.017（全橋，半橋）。4/3()oPeWPAA AKfB4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法（2）查表法 在50kHz以下，絕大多數(shù)磁材料損耗較低，飽和限制了磁通密度選擇。鐵氧體在100時(shí)飽和磁通密度在0.3T左右，當(dāng)磁通密度大于0.2T時(shí)，磁

23、場(chǎng)強(qiáng)度明顯增加，即磁化電流迅速增加，使線圈損耗增加。為避免在瞬態(tài)時(shí)磁芯進(jìn)入飽和，一般選取磁通密度擺幅為0.16T。 如果頻率超過(guò)50kHz，按工作頻率在磁芯損耗曲線上按100200mW/cm3選擇磁通密度擺幅B。輸出功率應(yīng)當(dāng)乘以系數(shù)B/0.16。4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法正激變換器 正激電路和初級(jí)電流波形如圖所示。4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法 一般輸出電流脈動(dòng)分量I=0.2Io， Io次級(jí)斜坡電流的中值。如忽略磁化電流，初級(jí)電流峰值為Ii= Io/n。在最低輸入電壓時(shí)保證輸出電壓。正激變換器的最大占空度應(yīng)當(dāng)小于0.5。同時(shí)為了能承受突加負(fù)載等影響，最大占空度選

24、擇為0.4，因此，輸出功率 因線圈導(dǎo)線直徑用電流有效值計(jì)算的，矩形波電流有效值與電流峰值的關(guān)系為minminmin0.8 0.40.32oiiiiiiiPPDUIUIUI0.40.632IIi DIiIi4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法因此可得由電磁感應(yīng)定律得到其中 Ui變壓器初級(jí)電壓(V)； N1變壓器初級(jí)匝數(shù)； Ae磁芯的有效截面積(m2)； B在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)磁通密度擺幅(T)； ton導(dǎo)通時(shí)間（s）。minmin0.320.506oiiiPUIUIiPeonBUN At(4 12)(4 13)4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法 在Uimin時(shí)，f=1/T,B/tonm

25、ax= Bmax/0.4T。將(4-13）代入（4-12）中，得 若假定初級(jí)和所有次級(jí)線圈的電流密度相同。忽略復(fù)位線圈所占的窗口，因僅流過(guò)磁化電流。令磁芯窗口面積，初級(jí)線圈面積，所有次級(jí)線圈面積和初級(jí)1匝線圈截面積分別為AW，A1，A2和APi(cm2)。如果充填系數(shù)為0.4，且A1A2，有maxminmax0.5060.5061.2650.4P eoiPeINABfPUINBAfI10.2WP PiAANA(4 14)(4 15)4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法電流密度j（A/cm）為將式(4-16)代入式(4-14),考慮到 j =400A/cm，得到或式中 Po變換器輸出功率

26、（W） ; Ae磁芯截面（cm）； AW磁芯窗口面積(cm)； f變壓器工作頻率(Hz)。0.2WPiPjAIjAN(416)2maxmax1.2651.01210oPeeWPN BAfIfBAAmax99oPeWPAA AfB4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法 推挽變換器 推挽功率變換器實(shí)際是兩個(gè)正激變換器組合而成的。假設(shè)條件與正激一樣：0.8，Dmax=0.420.8。同時(shí)初級(jí)電流的有效值與平均值的關(guān)系Ii=1.58I。因此有 仍假定充填系數(shù)為0.4。初、次級(jí)電流密度相同。初級(jí)和次級(jí)線圈各占骨架窗口一半。初級(jí)有兩個(gè)線圈，由式(4-15)有minmin21.01oiiiPDUIUI

27、10.22WP PiAANA(420)4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法式中符號(hào)同正激變換器。由式(4-13)得考慮到式（4-20）,得面積乘積為maxmax250.4eiPePPeonBBAUN ANN fA BtT2minmaxmax0.11.015.052.0210WoiPeeWPAPUIN fABjfAA BNmax50oPeWPAA AfB4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法 半橋和全橋輸出功率 仍然假定在最低輸入電壓時(shí)，最大占空度為0.8，晶體管最大導(dǎo)通時(shí)間為0.8T/2。效率80。線圈銅充填系數(shù)為0.4。其余符號(hào)與推挽、正激一致。 半橋變壓器初級(jí)線圈正向和反向?qū)?/p>

28、稱流過(guò)電流，初級(jí)電流有效值為則輸出功率2 0.40.894iiIIIminmax20.358 min2ioiiUPDIUI(4 25)4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法初級(jí)線圈銅面積為于是變壓器初級(jí)電壓U1=Ui/2,根據(jù)電磁感應(yīng)定律得到將式(4-27),(4-28)代入式(4-25)得到10.2WPPiAAN A0.2WPiPjAIjANmaxmaxmax42100.4eiPePPeBBAUN ANN fA BDTT(427)(4 28)minmax0.3580.0286oieWPUIfAA B4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法面積乘積為 全橋變壓器初級(jí)電壓比半橋大一倍，

29、相同的磁芯，線圈匝數(shù)大一倍。如果輸出相同的功率，半橋初級(jí)比全橋?qū)Ь€截面積大一倍，因此半橋和全橋初級(jí)線圈所占窗口面積是相同的。磁芯相同，工作條件相同，輸出功率也相同。max35oPeWPAAAfB4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法11.線圈（1）集膚效應(yīng) 當(dāng)導(dǎo)體通過(guò)高頻電流時(shí)，變化的電流就要在導(dǎo)體內(nèi)和導(dǎo)體外產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)垂直于電流方向，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，高頻磁場(chǎng)在導(dǎo)體內(nèi)沿長(zhǎng)度方向產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，此感應(yīng)電勢(shì)在導(dǎo)體內(nèi)整個(gè)長(zhǎng)度方向產(chǎn)生的渦流阻止磁通的變化。主電流和渦流之和在導(dǎo)線表面加強(qiáng)，越向?qū)Ь€中心就越弱，電流趨向于導(dǎo)體表面，這就是集膚效應(yīng)，如圖4-12所示。4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓

30、器設(shè)計(jì)方法集膚深度為式中 電導(dǎo)率，20C時(shí)，銅導(dǎo)線20=58m/mm 磁導(dǎo)率，銅的磁導(dǎo)率 =0=410 H/m 274.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法故 一般磁性元件的線圈溫度高于20C，在導(dǎo)線溫度為100C時(shí)，100=43.5m/mm，則穿透深度為： 66.1()mmf76.5f4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法（2）線圈磁場(chǎng)和鄰近效應(yīng) 如圖4-13（a）所示，兩根流過(guò)相反電流導(dǎo)線之間的磁場(chǎng)疊加，場(chǎng)的強(qiáng)度最強(qiáng)。而在兩導(dǎo)線外側(cè)，兩磁場(chǎng)抵銷，磁場(chǎng)強(qiáng)度減弱。“”表示流出紙面，“”表示流入紙面。在導(dǎo)體內(nèi)部，由兩導(dǎo)體外側(cè)向內(nèi)逐漸加強(qiáng)，到達(dá)導(dǎo)體的內(nèi)表面時(shí)磁場(chǎng)最強(qiáng)。4.3 高頻變壓器設(shè)

31、計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法 若兩根導(dǎo)線直徑大于穿透深度d，流過(guò)相反的且相等的高頻電流iA和iB時(shí)，導(dǎo)體A流過(guò)的電流iA產(chǎn)生的磁場(chǎng)A穿過(guò)導(dǎo)體B，與集膚效應(yīng)相似，在導(dǎo)體B中產(chǎn)生渦流iAB。在靠近A的一邊渦流與iB的方向一致，相互疊加；而在遠(yuǎn)離A的一邊，渦流與iB方向相反而抵銷。同理導(dǎo)線A中的電流受到導(dǎo)線B中電流iB產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用，在靠近導(dǎo)線B的一邊流通。使得導(dǎo)體中電流擠在兩導(dǎo)體接近的一邊。這就是鄰近效應(yīng)。4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法 如果兩導(dǎo)體相距w很近（圖4-13（b），鄰近效應(yīng)使得電流在相鄰內(nèi)側(cè)表面流通，磁場(chǎng)集中在兩導(dǎo)線間，導(dǎo)線的外側(cè)，既沒有電流，也沒有磁場(chǎng)合成磁場(chǎng)為零，沒有磁場(chǎng)

32、地方不存儲(chǔ)能量，能量主要存儲(chǔ)在導(dǎo)線之間。如果寬度bw，單位長(zhǎng)度上的電感為若忽略外磁場(chǎng)的能量，單位長(zhǎng)度兩導(dǎo)線間存儲(chǔ)的能量為204(/)blLNnHcmbl000222/( )222mIWH V lbIbb 4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法 可見，如果導(dǎo)線寬度越窄（b變?。?，存儲(chǔ)能量越大。根據(jù)式(4-34)比較圖4-14幾種導(dǎo)線的排列可以看到，由于鄰近效應(yīng)，電流集中在導(dǎo)線之間穿透深度的邊緣上，b越小，表面間的磁場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)。導(dǎo)線間存儲(chǔ)的能量與導(dǎo)線的寬度成反比。為減少分布電感，圖(a)最好，圖(b)次之，圖(c)最差。因此，在布置印刷電路板導(dǎo)線時(shí)，流過(guò)高頻電流的導(dǎo)線與回流導(dǎo)線上下層最好。4

33、.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法（3）變壓器線圈的漏感 典型變壓器磁芯的漏感分析 圖4-15是一個(gè)典型的E型磁芯變壓器。如變壓器的初級(jí)線圈為4匝，次級(jí)為1匝。如果次級(jí)流過(guò)電流I2(例如10A)，根據(jù)變壓器原理，如不考慮磁化電流，初級(jí)安匝等于次級(jí)安匝，初級(jí)電流應(yīng)為I1=I2N2/N1=2.5A。( ) b 交錯(cuò)繞的線圈(a)單層雙線圈窗口磁場(chǎng)和漏磁4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法當(dāng)xb時(shí)（環(huán)路l1）：當(dāng)bxb+c時(shí)（環(huán)路l2）,在兩線圈之間包圍的環(huán)路中沒有增加電流，磁場(chǎng)強(qiáng)度不變，即Hx=H1，一直保持到x=b+c。當(dāng)xb+c時(shí)（環(huán)路l3），包圍了次級(jí)反向電流，這里的磁場(chǎng)強(qiáng)度

34、為：11x1x=x=blbI NHH2211()(1)xN IxbcHHxbcHdld4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法初級(jí)線圈送入磁場(chǎng)的能量為：其中21112mbcdSWWWWLI2001120()26bavlbxavllb N IWHlldxl20211()2avclc N IWl20322()6avdld N IWl4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法初級(jí)漏感經(jīng)簡(jiǎn)化得其中220130112()()333avlavav SSavNbldlN l kbdLclcll210.35()Sbcdbcdkll 4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法其他結(jié)構(gòu)的漏磁 對(duì)于環(huán)形磁芯

35、，如果是一個(gè)高磁導(dǎo)率磁芯的變壓器，將環(huán)沿徑向切斷沿圓周展開，與圖4-15（a）相似，初級(jí)與次級(jí)之間的相對(duì)位置和間隔是產(chǎn)生漏磁的基本原因。 在反激變換器中，次級(jí)線圈電流與初級(jí)線圈電流不是同時(shí)發(fā)生的。反激變壓器如果采用高磁導(dǎo)率氣隙磁芯，由于高磁阻的氣隙存在，初級(jí)線圈產(chǎn)生的磁通除了大部分經(jīng)過(guò)磁芯和串聯(lián)氣隙端面磁通和邊緣磁通外，還有一部分磁通只經(jīng)過(guò)部分磁芯磁路的散磁。4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法減少漏磁的主要方法線圈交錯(cuò)繞 實(shí)際上，變壓器線圈大多為多層，由于鄰近效應(yīng)，電流僅集中在初級(jí)與初級(jí)與次級(jí)靠近的一邊導(dǎo)線中寬度流通。在遠(yuǎn)離的一邊導(dǎo)體中沒有磁場(chǎng)，也應(yīng)當(dāng)沒有電流，它比集膚效應(yīng)引起更嚴(yán)重

36、的交流損耗。4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法（4）變壓器線圈及導(dǎo)線的選擇 圖4-16是一個(gè)變壓器銅損耗和磁芯損耗定性關(guān)系圖。實(shí)際上，完全達(dá)到最優(yōu)是困難的，但在圖4-16虛線包圍的范圍內(nèi)已相當(dāng)滿意了。4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法絕緣、熱阻和電流密度1.絕緣 為了避免導(dǎo)線之間短路和電氣隔離，導(dǎo)線之間都加有絕緣材料。絕緣材料的壽命就是磁元件的壽命。絕緣材料絕大部分是有機(jī)化合物。在熱的作用下，材料產(chǎn)生分解，揮發(fā)，導(dǎo)致絕緣性能下降，耐潮性變差和機(jī)械強(qiáng)度下降，這就是熱老化。4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法IEC規(guī)定絕緣材料7個(gè)耐溫等級(jí)如表4-7所示。 熱是絕緣材料老

37、化的主要因素。在達(dá)到某一評(píng)定終結(jié)的情況下,材料在熱作用下能工作的時(shí)間稱為壽命。4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法2. 熱阻 磁元件線圈的溫升是線圈總損耗和它表面散熱能力的綜合結(jié)果。熱阻有兩個(gè)主要部分：熱源（磁芯和線圈）和變壓器表面之間的內(nèi)熱阻Ri,以及由變壓器表面到外部環(huán)境的外熱阻Rth。根據(jù)“熱路”歐姆定律，溫升和損耗的關(guān)系為thTR P4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法熱阻的經(jīng)驗(yàn)公式為簡(jiǎn)單經(jīng)驗(yàn)公式為線圈溫升為0.70.15295thRAP8 0 08 0 0thwRAkA0.70.85295thTR PAP4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法3.電流密度線圈損耗

38、為 電流密度選擇高，導(dǎo)線截面積小，相同窗口繞更多的導(dǎo)線。但導(dǎo)線電阻大，銅損耗大。功率較大時(shí)，高的電流密度引起高損耗，降低了整個(gè)變換器效率。一般從效率出發(fā)，將損耗功率分解到各個(gè)元件，根據(jù)磁元件分配到的耗散功率，并使得PWPC選取相應(yīng)線圈的電流密度。 22tWtCulPRIIjIlA4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法計(jì)算有效值電流 線圈發(fā)熱是功率損耗引起的。在高頻情況下，交流分量電流產(chǎn)生交流電阻損耗，直流分量產(chǎn)生直流電阻損耗。在開關(guān)電源中，有如圖4-17幾種可能的電流波形。4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法1.梯形波 開關(guān)電源中最常見的電流波形是梯形波(圖4-17(a)。電流平

39、均值，即直流分量Idc：對(duì)電流總有效值I，近似為：交流分量的有效值為：0011()2ononTTdcaaonIIIidtIdtDITTT taIID(1)acaIIDD4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法2.斷續(xù)三角波電流平均值電流總有效值交流分量有效值2Pd cD II224123PPPD ID IDII22223434PPacPDID IDDII4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法3.連續(xù)三角波電流平均值電流總有效值交流分量有效值dcaII22()()12aaIIII1 223a cIII4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法4.3.2 變壓器設(shè)計(jì)基本步驟步驟1：確定

40、變壓器設(shè)計(jì)的電源參數(shù) Ui范圍：248372V； 輸出： 5V,50A；（輸出功率250W，有時(shí)輸出有一定調(diào)節(jié)范圍或多路輸出） 開關(guān)頻率fs： 200kHz；（即變壓器頻率，根據(jù)使用的器件，磁芯材料，效率決定） 最大損耗（絕對(duì)）：2.5W;（變換器效率決定總損耗，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分配到每個(gè)單元） 最大溫升： 40；（由磁芯和絕緣允許溫度和變換器工作環(huán)境溫度決定） 冷卻方式： 自然通風(fēng)4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法步驟2：確定絕對(duì)占空度限制Dlim,假定額定低Uimin時(shí) Dmax（保證動(dòng)態(tài)響應(yīng)）和額定UiD 絕對(duì)限制Dlim：0.47（這實(shí)際上考慮了復(fù)位線圈與初級(jí)線圈匝數(shù)相等以及動(dòng)態(tài)時(shí)磁

41、芯不飽和） 額定Dmax： 0.42（最低輸入電壓時(shí)保證輸出的最大占空度。與極限值有5的余量） 額定UiD：UiminDmax=104V（當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，初級(jí)伏秒不變。也是次級(jí)伏秒） Uimax Dlim： 174.8V（保證在極限伏秒瞬態(tài)下不飽和）4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法步驟3：計(jì)算輸出電壓加上滿載時(shí)二極管正向壓降和次級(jí)IR壓降： Uo5.0+0.4=5.4V步驟4：計(jì)算希望的匝比：如果多路輸出，一般首先從最低電壓開始。 110419.35.4PPSONUnNU4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法步驟5：根據(jù)工作頻率200kHz，輸出功率250W，在手冊(cè)上選擇磁

42、芯材料，材料的損耗曲線如圖4-7所示。比損耗為100mW/cm3對(duì)應(yīng)磁通密度擺幅為0.068T。應(yīng)用面積乘積公式(4-9)得到443()1.438oPeWSPAA AcmKfB4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法 步驟6：對(duì)于選定的磁芯，查表4-2得到有效截面積，窗口面積，體積，有效磁路長(zhǎng)度為 Ae=1.23cm；Aw=1.44cm；Ve=7.69cm；le=6.74cm；2F=1.93cm 考慮骨架、爬電距離和絕緣層后的有效窗口面積為： 1.440.5=0.72cm=72mm4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法 步驟7：由手冊(cè)或由使用的EE系列磁芯近似熱阻公式獲得熱阻：根據(jù)最

43、大溫升T，計(jì)算允許的損耗：80080025.3/2222 1.44TWRC WAlim=/40/25.31.582.5TPT RWW4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法步驟8：損耗限制磁通變化量。計(jì)算磁芯單位體積損耗：步驟9：根據(jù)電磁感應(yīng)定律計(jì)算次級(jí)匝數(shù)。因?yàn)閯t3lime/=0.8/7.69=104m/cmCPVWo1SSU TN-6o1-45.4510=1.570.141.2310SSU TN匝4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法步驟10：重新計(jì)算2匝時(shí)的磁感應(yīng)變化量和損耗：由磁芯損耗曲線圖4-6查得0.11T/2（505Gs）時(shí)為40mW/cm3。 磁芯損耗為： Pc=40

44、7.69=308mW=0.308W111.570.140.11 ()2SSNTNB= B磁通密度第3次迭代4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法步驟11：確定初級(jí)匝數(shù)。 由步驟4決定的值，試算得到最好的選擇是Np=39匝（變比19.5：1）。重新計(jì)算額定UiD和最壞情況下的UimaxDlim條件：ion19.5 5.4105.3UDUVlimmaxlimsi0.11174.80.183 ()105.3iBBUDTBUD滿足4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法步驟12：決定線圈結(jié)構(gòu) 為減少漏感和線圈損耗采用交錯(cuò)結(jié)構(gòu)如圖4-18所示。交錯(cuò)結(jié)構(gòu)使線圈分成2段。每段初級(jí)線圈39匝，兩段并

45、聯(lián)。初級(jí)電流均等地分配在兩個(gè)線圈中。次級(jí)每層1匝銅箔，2匝串聯(lián)。每層1匝使得線圈厚度可能超過(guò)穿透深度，這樣減少了直流電阻，而增加了交流電阻。4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法步驟13：計(jì)算200kHz時(shí)的穿透深度步驟14：在Uinmin和Dmax（步驟11）條件下，根據(jù)式（4-51）計(jì)算每個(gè)線圈的電流和有效值576.576.5=0.17mmf2 102a12I =I31.82/n=31.82/19.5=1.63DAIIA4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法步驟15: 確定初級(jí)線圈 為減小線圈損耗，導(dǎo)線允許電流密度可選擇小一些，假設(shè)選擇 電流密度j=2.5A/mm。 選擇導(dǎo)線截

46、面積：Ali=I1/j=0.82/2.5=0.328mm 占用窗口面積為：A1=0.32878=25.9mm步驟16：確定次級(jí)線圈 選擇導(dǎo)線截面積：A2i=I2/j=31.82/2.5=12.73mm 占用窗口面積為：A2=12.732=25.6mm 次級(jí)夾在2個(gè)1/2初級(jí)之間，次級(jí)2匝。 選擇帶寬為16mm（整個(gè)線圈有效寬度），厚度小于0.17mm的多層銅箔并繞，等效為2段，每段一層。4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法4.3.3高頻變壓器設(shè)計(jì)以全橋式開關(guān)電源高頻變壓器的設(shè)計(jì)為例（1）確定變壓器設(shè)計(jì)的電源參數(shù)Ui范圍：252370V；輸出：5V，100A，輸出功率500W；開關(guān)頻率f

47、s：40kHz；最大損耗（絕對(duì)）：5W；最大溫升：40C；冷卻方式：自然通風(fēng)4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法（2）確定占空比絕對(duì)限制Dlim，假定Uimin時(shí)Dmax（保證動(dòng)態(tài)響應(yīng)）和額定UiD絕對(duì)限制Dlim：0.472；額定Dmax：0.422；額定UiD：UiminDmax=206.64V,UimaxDlim=347.8V。（3）計(jì)算輸出電壓加上滿載時(shí)二極管正向壓降 Uo=5.0+0.6=5.6V 大功率肖特二極管導(dǎo)通管壓降為0.6V。4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法（4）計(jì)算希望的匝比 可能選擇的匝比為37:1。（5）計(jì)算AP值 查表4-2得EE42的AP值為4

48、.78cm4,滿足要求。其Ae=1.80cm，Aw=2.66cm，Ve=18.7cm。1206.6436.95.6PPSONUnNU43max3535 5002.73440 100.16oPeWSPAAAcmf B4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法（6）由窗口面積獲得熱阻為根據(jù)最大溫升T，計(jì)算允許的損耗： 允許損耗取2.92W。假定磁芯和線圈損耗各為1/2，即Pclim=1.46W，Pwlim=1.46W。80013.7/22TWRC WAlim=/40/13.72.925TPTRWW4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法（7）計(jì)算損耗限制磁通變化量磁芯單位體積損耗：額定磁通=

49、BAe（8）根據(jù)電磁感應(yīng)定律計(jì)算次級(jí)匝數(shù)為保證為整數(shù)匝，NS1可選取3匝。3clime/=1.46/18.7=78.07m/cmPVW614maxoTSoTS5.625 102.5620.30 1.82 10SeUUNBA匝4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法（9）確定初級(jí)匝數(shù)重新計(jì)算額定UiD和最壞情況下的UimaxDlim條件：（10）計(jì)算40kHz時(shí)的穿透深度37 5.6207.2ioUDnUVmaxlimmaxlims0.15347.80.252 ()207.2iiBBUDTBUD滿足76.50.3825mmf4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法（11）根據(jù) 計(jì)算每個(gè)線

50、圈的電流有效值 由于副邊為雙半波整流，副邊繞組通過(guò)負(fù)載電流的時(shí)間各占50%，其值為：（12）確定初級(jí)線圈可選3股AWG23#線絞繞，總面積為0.7764mm，單線直徑為0.632mm2，滿足要求。aIID122/100/372.703IInA2100 0.570.7IA1212.7030.6764XIAmmJ4.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)方法高頻變壓器設(shè)計(jì)方法（13）確定次級(jí)線圈由于導(dǎo)線截面較大，一般可采用厚度小于穿透深度=0.3825mm的銅箔繞制。22270.717.5754XIAmmJ4.4 電感器和反激變壓器的設(shè)計(jì)電感器和反激變壓器的設(shè)計(jì) 濾波電感，升壓電感和反激變壓器都是“功率電感”家族的成

51、員。它們的功能是從電源取得能量，存儲(chǔ)在磁場(chǎng)中，然后將這些能量（減去損耗）傳輸?shù)截?fù)載。反激變壓器實(shí)際上是一個(gè)多繞組的耦合電感。與上一節(jié)變壓器不同，變壓器不希望存儲(chǔ)能量，而反激變壓器首先要存儲(chǔ)能量，再將磁能轉(zhuǎn)化為電能傳輸出去。耦合濾波電感不同于反激變壓器，反激變壓器先儲(chǔ)能后釋放；而耦合濾波電感同時(shí)儲(chǔ)能，同時(shí)釋放。4.4 電感器和反激變壓器的設(shè)計(jì)電感器和反激變壓器的設(shè)計(jì)4.4.1 應(yīng)用場(chǎng)合應(yīng)用電路拓?fù)洹⒐ぷ黝l率以及紋波電流等不同，電感設(shè)計(jì)考慮的因素也不同。用于開關(guān)電源的電感有： 單線圈電感輸出濾波電感（ B u c k ） 、 升 壓 電 感（ B o o s t ） 、 反 激 電 感（Buck-

52、Boost）和輸入濾波電感。 多線圈電感耦合輸出濾波電感、反激變壓器。 EMI 共模濾波電感。4.4 電感器和反激變壓器的設(shè)計(jì)電感器和反激變壓器的設(shè)計(jì)電路中，電感有兩個(gè)工作模式： 電感電流斷續(xù)模式瞬時(shí)安匝（在所有線圈中）在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)有一部分時(shí)間停留在零狀態(tài)。 電感電流連續(xù)模式在一個(gè)周期內(nèi)，電感電流盡管可以過(guò)零（如倍流電路中濾波電感），電感的安匝（磁勢(shì)）沒有停留在零的時(shí)間。 安匝IPTonTrT0TsIo0t安匝TonTsIoIt0（a） 電流斷續(xù)模式 （b）電流連續(xù)模式4.4 電感器和反激變壓器的設(shè)計(jì)電感器和反激變壓器的設(shè)計(jì)輸出濾波電感（輸出濾波電感（BuckBuck） 正激類輸出濾波電感

53、和Buck變換器輸出電感相同，一般工作在電流連續(xù)模式圖（a）。電感量為式中：Ui 電感輸入端電壓(V)； D=Ton/TS 占空比； Uo=DUi 輸出電壓(V)； fS=1/TS 開關(guān)頻率（Hz）；Io 輸出電流（A）；Ton，Toff=TS-Ton輸入電壓的高電平（導(dǎo)通）時(shí)間和低電平（截止）時(shí)間；k=I/2Io。 oSiooffooffo2)1 (2IkfDDUkITUITUL（4-59）4.4 電感器和反激變壓器的設(shè)計(jì)電感器和反激變壓器的設(shè)計(jì)如果工作在斷續(xù)模式(圖(a)，一般按滿載時(shí)達(dá)到臨界連續(xù)選擇電感： 式中I=2Io。比較(式4-59)和(式4-60)可見，工作在電流斷續(xù)時(shí)電感遠(yuǎn)小于

54、電流連續(xù)時(shí)電感值。oSiooffooffo2)1 (2IfDDUITUITUL（4-60）4.4 電感器和反激變壓器的設(shè)計(jì)電感器和反激變壓器的設(shè)計(jì)Boost Boost 和和Boost/Buck Boost/Buck 電感電感 Boost 和Boost/Buck 電感通常設(shè)計(jì)在電流連續(xù)模式。所需的電感量： 式中Ii=Io/(1-D)輸入電流，Boost 中為輸入電流平均值；Boost/Buck 中為輸入電流導(dǎo)通時(shí)間電流的中值。變換器效率。 斷續(xù)時(shí)需要的電感量： iSioni2IkfDUITUL（4-61）oSiionioni2)1 (2IfDDUITUITUL4.4 電感器和反激變壓器的設(shè)計(jì)電

55、感器和反激變壓器的設(shè)計(jì)反激變壓器反激變壓器如圖所示。即初級(jí)安匝減少時(shí)，次級(jí)安匝等量增加，反之亦然。雖然總安匝是連續(xù)的，紋波很小，但每個(gè)線圈的電流交替由零到最高峰值之間變化。無(wú)論什麼工作模式，線圈交流損耗大。磁芯與線圈不同，因總安匝紋波很小，磁芯有很大的直流偏磁，很小的磁通密度擺幅。因此和先前討論的電流連續(xù)模式一樣，磁芯損耗很小。 安匝Ts0tIsIP4.4 電感器和反激變壓器的設(shè)計(jì)電感器和反激變壓器的設(shè)計(jì)安匝連續(xù)時(shí)所需的電感量：式中：k=I1/I1=I2/I2； I1，I2初級(jí)和次級(jí)脈沖電流的中值。 N1，N2初級(jí)和次級(jí)匝數(shù)；其余符號(hào)與前面相同。21oSiiSiioni2)1 (2NNIkfDDUIkfDUITUL4.4 電感器和反激變壓器的設(shè)計(jì)電感器和反激變壓器的設(shè)計(jì) 電流斷續(xù)模式線圈和磁芯損耗都大。在最大負(fù)載時(shí)，仍保持?jǐn)嗬m(xù)根據(jù)輸入功率等于輸出功率與功率級(jí)的損耗之和，則要求的電感為：式