變壓器的設計程序

1、變壓器的設計程序電力電子技術的基本概況變壓器的設計程序 器件的磁設計電力電子裝置中，一般采用自然散熱方式。變壓器的設計一般均采用單向設計法(必須知道磁芯的各種特性及數(shù)據(jù)) 。嘗試性設計方法和電感的設計類似(進行多次嘗試才能找到合適的磁芯尺寸 )。 器件的磁設計原邊和副邊的導線型號一致，可以假設 kCu=kCu.pri=kCu.sec變壓器發(fā)熱渦流設計過程中必須考慮 器件的磁設計1.1 變壓器的設計基礎：額定功率 變壓器的額定功率為：S=UpriIpri Upri :變壓器原邊額定電壓（有效值） Ipri :變壓器原邊額定電流（有效值） 上式說明變壓器原邊電壓的設計與工作頻率、磁通密度、磁芯窗口

2、面積、以及所饒的匝數(shù)等有關。 器件的磁設計如果工作頻率較低，導線的趨膚效應可以忽略；頻率較高時，如使用絞線，趨膚效應可以忽略。 上式說明原邊電流、電流密度以及導線的橫截面積之間的關系。 器件的磁設計綜合可得功率表達式： 器件的磁設計將 代入可得： 器件的磁設計如必須考慮渦流損耗，可從圖中查到交流電阻的值。因此下兩式 1020110100直流損耗總損耗最小值=1.5直流損耗0.1m=9m=8m=7m=6m=5m=4m=3m=2m=1m=101變?yōu)椋?器件的磁設計公式 S=2.22kCufAcoreAwJrmsBm 是變壓器設計的開始，因Upri、 Ipri是根據(jù)變壓器的應用要求而定，它與磁心的尺

3、寸、導線的橫截面積、磁通密度以及電流密度都有關。公式 S=2.22kCufAcoreAwJrmsBm 在變壓器設計過程中的重要性和儲能公式 LImI=kCuJBmAwAcore 在電感設計中的重要性一樣。 器件的磁設計1.2 變壓器單向設計例程 總結加在變壓器上的各種條件計算功率等級 S=UpriIpri選擇磁心材質(zhì),型號及尺寸求單位體積功率損耗密度 Psp計算最大功率等級Smax結束計算磁芯的磁通密度及Npri和Nsec 確定繞組導線尺寸Acu,pri和Acu,sec估算漏感調(diào)整最大功率等級Smax 器件的磁設計第一步：總結加在變壓器上的各種條件原邊的額定電壓Upri；原邊的額定電流Ipri

4、；變壓器的匝數(shù)比n=Npri/Nsec ；變壓器的工作頻率f；變壓器的最高溫度Ts及最高環(huán)境溫度Ta。 電路中變壓器的最高溫度取決于它周圍元件對溫度的敏感程度，以及變壓器本身的材質(zhì)，還有它工作的環(huán)境溫度。一般假設變壓器的最高溫度Ta=100 器件的磁設計第二步：計算功率等級S 應用公式 S=UpriIpri 計算變壓器的功率等級 。式中，Upri為變壓器的原邊電壓有效值 Ipri為變壓器的原邊電流有效值第三步：選擇磁芯的材質(zhì)，型號及尺寸選擇變壓器磁芯的材質(zhì)和型號的方法和10.5.3節(jié)中的電感磁芯的選擇方法相同。 器件的磁設計0246824682100100051015202530P F頻率kH

5、zA:3C85 B:3F3 C:3C10 D:3B8E:3F4 F:N47ABCDEF使用鐵氧體磁芯時，它們的特性曲線如圖所示。 選擇變壓器的磁芯和第二步計算出的S值相關。選擇導線型號。 器件的磁設計第四步：計算Rqsa和Psp假設變壓器的功率損耗是均勻的，且銅損和鐵損相等，即 。Psp的值可以從磁芯的數(shù)據(jù)表中查到。變壓器的熱阻可通過10.4.4節(jié)中的公式計算，也可以查表10.4得到。熱阻會隨著環(huán)境溫度和變壓器的溫度而變化。根據(jù) 計算。 器件的磁設計第五步：確定磁通密度及原邊和副邊的匝數(shù) 磁芯的飽和磁通密度Bm可以從表10.4中查到；根據(jù)允許的最大功率損耗密度Psp，并結合圖中的數(shù)據(jù)進行計算；

6、mTmWmm-3mWcm-33F3103102110磁功率損耗Pm1000C101001000102Gs40010025F(KHz)250C磁通密度最大值,Bas 器件的磁設計原邊的匝數(shù)Npri可通過lw9a求出。副邊的匝數(shù)Nsec通過匝數(shù)比n=Npri/Nsec得到。下式中的Bms第五步已經(jīng)得到。 應用以下公式計算： 器件的磁設計磁芯序列 材質(zhì) 8a3F3 2.1cm4 9.8/W 237mW/cm3 170mTA/mm2 RspTs=100 JTs=100及Psp BmTs=100及100kHz AP=AcoreAw RqDT =60 2.22kCuf JBmAwAcore(f=100kH

7、z) U-A 磁芯序列8右上角的a表示表10.1中的特征尺寸且a=1cm。 變壓器設計過程中需要用到的有關磁芯的數(shù)據(jù)表 器件的磁設計第六步a: 確定原邊和副邊導線的尺寸：忽略渦流損耗 導線的型號，是圓形導線還是矩形導線，或是絞線，在第三步中已選好。因此銅線填充系數(shù)已知。在第五步中已經(jīng)求出原邊和副邊繞組的匝數(shù)，因而可以應用以下公式分別求出原邊和副邊繞組導線的橫截面積ACu,pri和ACu,sec。和 器件的磁設計假設工作頻率低到可以忽略渦流損耗，并且使用絞線,電路密度Jrms通過表10.4中的公式估算或應用以下公式計算:再應用下式求出原邊和副邊繞組導線的橫截面積Acu,pri和Acu,sec:

8、器件的磁設計第六步b: 確定原邊和副邊導線的尺寸：考慮渦流損耗設計過程中，一般在原邊和副邊繞組中使用了圓形導線和矩形導線時才考慮渦流損耗。為了減少渦流損耗，采用絞線，絞線中的單根導線的直徑比趨膚深度小很多。采用絞線，頻率很低時，渦流損耗很小，這種設計可取。在高頻時，效果并不理想。選擇圓形導線或矩形導線。因為圓形導線的銅線填充系數(shù)kCu=0.55，矩形導線或銅箔的填充系數(shù)kCu=0.6。 器件的磁設計和原邊和副邊的匝數(shù)在第五步中已經(jīng)求出，導線的橫截面積也可以根據(jù)下式求出。將 代入到表10.4中電流密度J的計算公式就可以求出電流密度的值，再將電流密度J的值代入到下式中就可求出理想的導線橫截面積。

9、原邊優(yōu)化設計 器件的磁設計1020110100直流損耗總損耗最小值=1.5直流損耗0.1m=9m=8m=7m=6m=5m=4m=3m=2m=1m=101為了確定導線的理想尺寸，導線的橫截面積必須滿足圖中的正態(tài)分布曲線。 器件的磁設計曲線表明有很多的導線尺寸滿足的條件，只要變壓器繞組的層數(shù)不同(分段不一樣)，則有很多不同的導線尺寸會滿足要求。因此需要重復性的嘗試，最后在繞組的層數(shù)(段數(shù))和導線的尺寸之間找到一個最佳平衡。 器件的磁設計重復性的嘗試過程 假設每層的匝數(shù)只有一圈，且繞組僅僅分成兩段，原邊繞組匝數(shù)為Npri，副邊繞組匝數(shù)為Nsec。那么原邊導線的理想厚度h為:或 式中,Fl為銅層系數(shù)；

10、hw為Bobbin繞線槽的寬度。矩形導線或銅箔的Fl典型值為0.9。 器件的磁設計應用式 計算正態(tài)分布參數(shù)值j。通過右圖確定原邊繞組的最佳層數(shù)Npri和j 。1020110100直流損耗總損耗最小值=1.5直流損耗0.1m=9m=8m=7m=6m=5m=4m=3m=2m=1m=101 器件的磁設計如果這個最佳值j和通過式 求出的結果相同或者大于10-20%，則原來的設計可接受； 如果這個最佳值明顯小于式 計算出的結果，那么原邊繞組必須重新分段，使每段的層數(shù)變得更加少。 器件的磁設計第二次嘗試，進行三明治繞繞法，將原邊繞組分為兩段，將副邊繞組夾在中間。副邊繞組分成兩段，副邊繞組的一半對應著原邊繞

11、組的一半，每一段的層數(shù)為原來的1/2。p2ps2mmf0 x 器件的磁設計1020110100直流損耗總損耗最小值=1.5直流損耗0.1m=9m=8m=7m=6m=5m=4m=3m=2m=1m=101通過右圖得到的最佳值j來校驗由公式 計算而得的最佳值j。 器件的磁設計1020110100直流損耗總損耗最小值=1.5直流損耗0.1m=9m=8m=7m=6m=5m=4m=3m=2m=1m=101如果從圖中得到的最佳值顯著大于從計算的最佳值，則每一層須增加到兩匝或者更多的匝數(shù)。 器件的磁設計1020110100直流損耗總損耗最小值=1.5直流損耗0.1m=9m=8m=7m=6m=5m=4m=3m=

12、2m=1m=101如果每層繞兩圈，則每段層數(shù)變?yōu)樵瓉淼?/2。重復性嘗試工作又開始進行。直到從圖中得到的最佳值等于或差不多等于從公式 計算而得的最佳值為止。 器件的磁設計根據(jù)變比n=Npri / Nsec，對第五步中得到的原邊和副邊的匝數(shù)進行調(diào)整，調(diào)整后的數(shù)值須對原邊的設計進行適當?shù)恼{(diào)整，使原邊和副邊相匹配?？傇褦?shù)為整數(shù)，每一層的匝數(shù)也為整數(shù)，限制了繞組重組的可能性。存在渦流的情況下，使用單根的固體導線，應用優(yōu)化設計方法可行，單根的導線具有更大的銅線填充系數(shù)。副邊優(yōu)化設計 器件的磁設計第七步：漏感的估算漏感的計算公式為：或者 器件的磁設計第八步：評估所選磁芯的最大功率等級Smax所選磁芯的最大

13、功率等級為: Smax =2.22kCufAcoreAwJBm 變壓器的功率等級S=UpriIpri應比Smax??；如果SSmax，則所選的磁芯尺寸太小。如果SSmax顯著，但仍小于所擁有的較大磁芯尺寸，可以再增加Smax，并對其進行重新設計。通過增加繞組的功率密度Pw,sp對Smax進行調(diào)整，如果變壓器的溫度超過太多，則使用尺寸更大的磁芯進行重新設計。 器件的磁設計1.3 舉例說明變壓器設計第一步：總結加在變壓器上的各種條件原邊正弦電流有效值: Ipri=4A 原邊正弦電壓有效值: Upri=300V 頻率: f=100KHz變比: Npri/Nsec=n=4 變壓器最高溫度: Ts=100

14、環(huán)境的最高溫度: Ta=40 器件的磁設計第二步：計算變壓器功率等級S S=UpriIpri=300V4A=1200VA第三步：選擇磁芯的材質(zhì)，型號及尺寸 0246824682100100051015202530P F頻率kHzA:3C85 B:3F3 C:3C10 D:3B8E:3F4 F:N47ABCDEF因頻率較高，所以采用鐵氧體磁芯，在圖中可以查到鐵氧體磁芯隨頻率變化曲線圖。 器件的磁設計當頻率為100KHz時，3F3 材質(zhì)的鐵氧體磁芯的性能最為理想，磁芯的型號選用EE型。從磁芯數(shù)據(jù)表序列為8，特征尺寸a=1cm的磁芯的各種數(shù)據(jù)： 器件的磁設計如果 ，KCu0.32，上式中的結果同樣比

15、S=1200VA大。將KCu=0.21和 代入上式中，所得的值應該比S=1200VA大； 器件的磁設計第四步：計算Rqsa和Psp第五步：確定磁芯磁通密度及原邊和副邊的匝數(shù) 從表10.4中可以查到最大磁通密度Bm=170mT 。將Bm=170mT 代入下式從表10.4中可以查到:Rqsa=9.8/W Psp=237mW/cm3 器件的磁設計Acore=1.5cm3， 可得到原邊繞組匝數(shù) ： 又， w=2p100kHz ,因為匝數(shù)必須是整數(shù)，且必須能夠被4整除，所以原邊繞組取24圈。則副邊繞組的匝數(shù)為： 器件的磁設計第六步a: 確定原邊和副邊導線的尺寸：銅箔利用磁芯的數(shù)據(jù)表10.4，并假設銅箔的

16、KCu=0.6，可以求出允許的電流密度：原邊導線的橫截面積為：副邊導線的橫截面積為： 器件的磁設計假設矩形導線的銅層系數(shù)為Fl=0.9，并且一層只有一圈。銅導體在頻率為100KHz，溫度為100時的趨膚深度d=0.244mm,可得原邊導線的厚度h為: ACu,pri=1.15mm2=h0.920mm 或 h=0.064mm 厚度的標準正態(tài)分布值為: 器件的磁設計從圖中可以查到原邊繞組僅為一段，且層數(shù)為24層；那么一層只能繞一圈，由此得到的優(yōu)化厚度標準正態(tài)值為 1020110100直流損耗總損耗最小值=1.5直流損耗0.1m=9m=8m=7m=6m=5m=4m=3m=2m=1m=101 器件的磁

17、設計副邊導線的厚度為： ACu,sec=4.6mm2=h0.920mm 或 h=0.256mm 副邊導線厚度的標準正態(tài)值為： 器件的磁設計從圖中可以查到副邊繞組每段必須分為兩層，這意味著副邊繞組必須包含三段，每段兩層，每層繞一圈。1020110100直流損耗總損耗最小值=1.5直流損耗0.1m=9m=8m=7m=6m=5m=4m=3m=2m=1m=101 器件的磁設計為了與副邊相匹配，原邊須分為四段。原邊中間的兩段，每一段包含八層；外面的兩段，每一段包含四層；一層只繞一圈。每段八層的導線優(yōu)化厚度的標準正態(tài)值為：P6mmfxP6P3P3S3S3S3 器件的磁設計將原邊繞組外面的兩段變?yōu)槊慷我粚樱?/p>

18、每層四圈；原邊繞組里面的兩段，變?yōu)槊慷蝺蓪?，每層四圈。則再次優(yōu)化后原邊繞組導線的厚度為： ACu,pri=1.15mm2=h0.95mm 或 h=0.256mm。標準正態(tài)值為1.01。原邊里面的兩段已經(jīng)完全得到優(yōu)化原邊繞組外面兩段Rac/Rdc值將增加為大約1.7。 是所需要的值的兩倍，即每一層可以再增加一圈。 器件的磁設計變壓器繞組設計以及它相應的的mmf圖如圖所示。原邊繞組分為四段，中間的兩段，每段有兩層；外面的兩段，每段只有一層；每層繞四圈。P6mmfxP6P3P3S3S3S3 器件的磁設計原邊繞組導線的厚度為0.26mm,寬度為5mm。副邊繞組分為三段，每段兩層，一層繞一圈；副邊繞組導線的寬度為20mm，厚度為0.26mm。P6mmfxP6P3P3S3S3S3 器件的磁設計第六步b: 確定原邊和副邊導線的尺寸：絞線根據(jù)磁芯的數(shù)據(jù)表，和絞線的填充系數(shù)KCu=0.3，可求出絞線的最大電流密度為： 原