高頻功率變壓器設計學習

1、高頻功率變壓器設計學習報告 提 報 人: 張 華 麗 提報單位: 研發(fā)專案 提報日期: 03/03/281目 錄 1. 前言 2. 設計規(guī)格 3. 設計過程 4. 結論 2一前言 變壓器是高頻功率變換器的核心元件,其主要作用有三:磁能轉換;電壓變換;絕緣隔離.在開關晶體管的開關作用下,將直流電轉換成方波施加於變壓器上,經(jīng)變壓器的電磁轉換,將輸入功率傳遞到負載,輸出所需的電壓. 由於開關變壓器工作在高頻狀態(tài),因而比線性變壓器來說,其體積小重量輕.但高頻變壓器的分布參數(shù)亦不能忽略(漏感,分布電容等).所以,高頻變壓器的好壞,不僅影響到變壓器本身的發(fā)熱和效率等,還會影響到整個POWER的性能和可靠性

2、.3二設計規(guī)格線路架構 Forward Converter電氣規(guī)格 輸入電壓: Vin=36Vdc60Vdc 輸出電壓: Vout=3.3V 輸出電流: Io=50A 輸出功率: Po=165W工程規(guī)格 工作頻率: Fs=100KHz 變壓器溫升: Tr=304三設計過程決定工作周期及圈數(shù)比選擇鐵心材質形狀及廠商選擇適當?shù)蔫F心大小計算初級側圈數(shù)重新檢查最大磁通密度計算次級側之圈數(shù)計算其它繞組之圈數(shù)選擇適當之繞組線徑或線號檢查繞線因數(shù)計算繞線損失計算鐵心損失計算整個變壓器之損失計算變壓器溫升檢查磁化電感與磁化電流 5步驟一 決定工作周期及圈數(shù)比順向式轉換器中: n=Vin(min)*Dmax/V

3、o=Np/Ns (1)式中 Vin(min) 最小輸入直流電壓 Dmax 最大工作周期 Vo 輸出電壓 n 圈數(shù)比 Np 初級側繞組 Ns 次級側繞組 假設在輸入電壓36Vdc,輸出電流Io=50A的情況下,其Dmax=0.4,則其圈數(shù)比為 n=36*0.4/3.3=4.36取n=4,反代入(1)式求Dmax得: Dmax=0.37所以取得: 工作周期 Dmax=0.37 圈數(shù)比 n=46步驟二 選擇鐵心材質形狀及廠商鐵心材質- Ferrite鐵心制造商及Ferrite型號- TDK PC40由Data book中得知,在60時: 飽和磁通量 : Bsat=4500GS =0.45T 剩 磁

4、: Br=0.065T 最大磁通密度: Bm=2500GS =0.25T (一般選擇Bsat的1/2左右)鐵心形狀及大小-EI 33 7步驟三 選擇適當?shù)蔫F心大小 Ap=Wa*AcPt*104/(2*B*fs*J*Ku) (2) 式中 B: 磁通密度的變化量 在順向式轉換器中,B=Bm-Br Wa: 鐵心窗型面積值 cm2 Ac: 鐵心有效面積 cm2 Ku: 鐵心的繞線因數(shù),一般為0.20.4,在此取0.3 J : 電流密度,A/cm2,一般為300500A/cm2,此取400A/cm2 Pt: 視在功率,一般可表示為:Pt=Po/+Po,此取為0.95將數(shù)據(jù)代入(2)式中,有 Ap(165

5、+165/0.95)*104/2*(0.25-0.065)*100*103*400*0.3=0.7628cm4由鐵心 DATA BOOK中得知EI 33的規(guī)格資料如下: Ap=Wa*Ac=1.53cm4 Wa=1.30cm2 Ac=1.18cm2 Al=4400nH/N2 MLT=7.0cm Ve=7.9cm3 Wg=41g 8步驟四 計算初級側圈數(shù) Np=Vin(min)*Dmax*Ts/B*Ac (3)式中 Ts: 工作周期 1/fs將數(shù)據(jù)代入(3)式中,有 Np=36*0.37*(1/100*103)/(0.25-0.065)*1.18*10-4 =6.1T為方便布線及纏繞,取 Np=8

6、T 9步驟五 重新檢查最大磁通密度重新檢查最大磁通密度Bm,是否小於其飽和磁通密度Bsat.即 BmBsat由(3)式可得出 B=Vin(min)*Dmax*Ts/Np*Ac (4) =36*0.37*(1/100*103)/8*1.18*10-4 =0.141 Bmax=B+Br =0.141+0.065 =0.206Bsat10步驟六 計算次級側之圈數(shù) 次級側的圈數(shù)可由匝數(shù)比和初次級側之間的關系式 n=Ns/Np 可求出: Ns=Np/n =8/4 =2T11步驟七 計算其它繞組之圈數(shù)重置繞組的圈數(shù): Nr=Np =8T輔助電源繞組圈數(shù)(采用返馳方式) Na=(1-Dmax)/Dmax*N

7、p(Vcc+Vf)/Vin(min) (5) =(1-0.37)/0.37*8(3.3+1.0)/36 =1.627 取 Na=2T12步驟八 選擇適當之繞組線徑或線號(一)電流密度J, 一般的安全設定為300500A/cm2, 亦可由下式算出: J=Pt*104/(2B*fs*Ap*Ku) (6) =(165+165/0.95)*10000/(2*0.141*100000*1.53*0.3) =261.66A/cm2 取 J=300A/cm2各繞組所流經(jīng)的rms 電流則可由下式求出: Irms=Dmax*(Io+IL/2)/n +im = Dmax*Io/n (7)所以 一次側繞組流經(jīng)rms

8、電流為: Ip_rms= 0.37*50/4=7.6A 二次側繞組流經(jīng)rms電流為: Is_rms= 0.37*50=30.4A 而流經(jīng)重置繞組與輔助繞組的rms電流以0.1A 估算之.13步驟八 選擇適當之繞組線徑或線號(二)各繞組的最小截面積可由下式算出 Aw=Irms/J (8) 即 Awp=Ip_rms/J=7.6/300=0.0253 cm2 Aws=Is_rms/J=30.4/300=0.101 cm2 Awr=Ir_rms/J=0.1/300=0.333*10-4 cm2 Awa=Ia_rms/J=0.1/300=0.333*10-4 cm2為了消除集膚效應, 繞線直徑最好小於兩

9、倍集膚深度, 集膚深庋為 =6.61/ f (9) =6.61/100000=0.021 cm14步驟八 選擇適當之繞組線徑或線號(三)一次側繞組的線號, 可以使用7根線繞直徑=0.07cm漆包線並繞,繞線截面積為 Aw=/2 *=3.84*10-3 cm2 電阻系數(shù)為 =531.5*10-6 /cm二次側繞組因流過的電流太大, 而采用銅箔纏繞, 選用2.5*0.042 cm2的銅箔, 則 Aw=0.105 cm2 =16.37*10-6 /cm其它繞組則可采用一條繞線直徑=0.024cm的漆包線纏繞. Aw=0.456*10-3 cm2 =5314.9*10-6 /cm15步驟九 檢查繞線因

10、數(shù)Ku=Awt/Wa =(NpAwp+NsAws+NrAwr+NaAwa)/Wa (10) =(8*3.84*0.001*7+2*0.105+8*0.456*0.001 +2*0.456*0.001)/1.3 =0.34 由以上結果可知, Ku0.4, 則需重新選擇大一點的鐵心, 或將J 提高來減小線徑, 以達到滿足Ku0.4之目標, 以利繞線制作.16步驟十 計算繞線損失(一)一次側繞組的阻抗為 Rp=p*Np*MLT =531.5*10-6*8*7.0 =0.0298 7線並繞, Rp=0.0298/7=0.00425 二次側繞組的阻抗為 Rs=s*Ns*MLT =16.37*10-6*2

11、*7.0 =0.000229 重置繞組的阻抗為 Rr=r*Nr*MLT =5314.9*10-6*8*7.0 =0.298 17步驟十 計算繞線損失(二)輔助電源繞組的阻抗為 Ra=a*Na*MLT =5314.9*10-6*2*7.0 =0.0744 繞線的總功率損耗為 PL(cu)=Ip_rms2*Rp+Is_rms2*Rs +Ir_rms2*Rr +Ia_rms2*Ra (11) =7.6*7.6*0.00425+30.4*30.4*0.000229 +0.1*0.1*0.298+0.1*0.1*0.0744 =0.475 W 18步驟十一 計算鐵心損失 利用鐵心資料之鐵損圖大約可以得知

12、, 其單位體積之鐵損約為0.07W/cm3, 而EI-33的體積為7.98cm3. 所以, 鐵損為 PL(Fe)=0.07*7.9=0.553W19步驟十二 計算整個變壓器之損失 整個變壓器的全部損失即為銅損與鐵損之和. PL=PL(Cu)+PL(Fe) =0.475+0.553 =1.028W20步驟十三 計算變壓器溫升 Tr=800*PL/As (12) 式中, As=34Ap (13) 將式(13) 代入式(12)中,則有 Tr=800*PL/34Ap (14) =800*1.028/34*1.53 =19.56 21步驟十四 檢查磁化電感與磁化電流磁化電感 Lm=Np2*AL (15) =8*8*4400 nH =281.6