開關(guān)電源高頻變壓器的設(shè)計(1)課件

1、變壓器基礎(chǔ)知識1、變壓器組成：原邊（初級primary side ） 繞組副邊繞組（次級secondary side ） 原邊電感（勵磁電感）-magnetizing inductance漏感-leakage inductance副邊開路或者短路測量原邊電感分別得勵磁電感和漏感匝數(shù)比：K=Np/Ns=V1/V22、變壓器的構(gòu)成以及作用： 1）電氣隔離 2）儲能 3）變壓 4）變流9/20/20221高頻變壓器設(shè)計程序：1.磁芯材料 2.磁芯結(jié)構(gòu)3.磁芯參數(shù) 4.線圈參數(shù)5.組裝結(jié)構(gòu) 6.溫升校核 9/20/202221.磁芯材料 軟磁鐵氧體由于自身的特點在開關(guān)電源中應(yīng)用很廣泛。其優(yōu)點是電阻率高

2、、交流渦流損耗小，價格便宜，易加工成各種形狀的磁芯。缺點是工作磁通密度低，磁導(dǎo)率不高，磁致伸縮大，對溫度變化比較敏感。選擇哪一類軟磁鐵氧體材料更能全面滿足高頻變壓器的設(shè)計要求，進行認真考慮，才可以使設(shè)計出來的變壓器達到比較理想的性能價格比。9/20/202232.磁芯結(jié)構(gòu) 選擇磁芯結(jié)構(gòu)時考慮的因數(shù)有：降低漏磁和漏感，增加線圈散熱面積，有利于屏蔽，線圈繞線容易，裝配接線方便等。 漏磁和漏感與磁芯結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系。如果磁芯不需要氣隙，則盡可能采用封閉的環(huán)形和方框型結(jié)構(gòu)磁芯。9/20/202243.磁芯參數(shù)： 磁芯參數(shù)設(shè)計中，要特別注意工作磁通密度不只是受磁化曲線限制，還要受損耗的限制，同時還與功率傳

3、送的工作方式有關(guān)。 磁通單方向變化時：B=Bs-Br，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，溫升又會影響磁通密度）。工作磁通密度Bm=0.60.7B 開氣隙可以降低Br,以增大磁通密度變化值B，開氣隙后，勵磁電流有所增加，但是可以減小磁芯體積。對于磁通雙向工作而言： 最大的工作磁通密度Bm，B=2Bm。在雙方向變化工作模式時，還要注意由于各種原因造成勵磁的正負變化的伏秒面積不相等，而出現(xiàn)直流偏磁問題?？梢栽诖判局屑右粋€小氣隙，或者在電路設(shè)計時加隔直流電容。9/20/202269/20/202274.線圈參數(shù)： 一般用的繞組排列方式：原繞組靠近磁芯，副繞組反饋繞組逐漸向外排

4、列。下面推薦兩種繞組排列形式：1）如果原繞組電壓高（例如220V），副繞組電壓低，可以采用副繞組靠近磁芯，接著繞反饋繞組，原繞組在最外層的繞組排列形式，這樣有利于原繞組對磁芯的絕緣安排；2）如果要增加原副繞組之間的耦合，可以采用一半原繞組靠近磁芯，接著繞反饋繞組和副繞組，最外層再繞一半原繞組的排列形式，這樣有利于減小漏感。9/20/202295.組裝結(jié)構(gòu)： 高頻電源變壓器組裝結(jié)構(gòu)分為臥式和立式兩種。如果選用平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯，都采用臥式組裝結(jié)構(gòu)。6.溫升校核： 溫升校核可以通過計算和樣品測試進行。實驗溫升低于允許溫升15度以上，適當(dāng)增加電流密度和減小導(dǎo)線截面，如果超過允許溫升，適當(dāng)減

5、小電流密度和增加導(dǎo)線截面，如增加直徑，窗口繞不下，要加大磁芯，增加磁芯的散熱面積。9/20/202210功率變壓器根據(jù)拓撲結(jié)構(gòu)分為三大類：（1）反激式變壓器；（2）正激式變壓器；（3）推挽式變壓器（全橋/半橋變換器中的變壓器）磁芯結(jié)構(gòu)適合的拓撲結(jié)構(gòu)形式如下頁表所示：9/20/202211磁芯結(jié)構(gòu)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 Cores -+=適合； 0=一般；-=不適

6、合 9/20/202212磁芯材料的選擇應(yīng)注意的問題： 1、軟磁鐵氧體，由于具有價格低、適應(yīng)性能和高頻性能好等特點，而被廣泛應(yīng)用于開關(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，錳鋅鐵氧體的組成部分是Fe2O3，MnCO3，ZnO，它主要應(yīng)用在1MHz以下的各類濾波器、電感器、變壓器等，用途廣泛。而鎳鋅鐵氧體的組成部分是Fe2O3，NiO，ZnO等，主要用于1MHz以上的各種調(diào)感繞組、抗干擾磁珠、共用天線匹配器等。 3、在開關(guān)電源中應(yīng)用最為廣泛的是錳鋅鐵氧體磁心，而且視其用途不同，材料選擇也不相同。用于電源輸入濾波器部分的磁心多為高導(dǎo)磁率磁心，其材料牌號多為R4KR10

7、K，即相對磁導(dǎo)率為400010000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材料，其Bs為0.5T（即5000GS）左右。9/20/202213開關(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，對于變壓器和繞制結(jié)果有一定影響。從 理論上講，Bs高，變壓器繞組匝數(shù)可以減小，銅損也隨之減小 在實際應(yīng)用中，開關(guān)電源高頻變換器的電路形式很多，對于變 壓器而言，其工作形式可分為兩大類： 1）雙極性：電路為半橋、全橋、推挽等。變壓器一次繞組里正負半周勵磁電流大小相等，方向相反，因此對于變壓器磁心里的磁通變化，

8、也是對稱的上下移動，B的最大變化范圍為B=2Bm，磁心中的直流分量基本抵消。 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個周期內(nèi)加上1個單向的方波脈沖電壓（單端反激式如此）。變壓器磁心單向勵磁，磁通密度在最大值Bm到剩余磁通密度Br之間變化，這時的B=BmBr，若減小Br，增大飽和磁通密度Bs，可以提高B，降低匝數(shù)，減小銅耗。 9/20/202214（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，同時會導(dǎo)致磁心發(fā)熱，波形畸變等不良后果。 變壓器的發(fā)熱問題，在實際應(yīng)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。如果在設(shè)計變壓器時，Bm選擇過低，繞

9、組匝數(shù)過多，就會導(dǎo)致繞組發(fā)熱，并同時向磁心傳輸熱量，使磁心發(fā)熱。反之，若磁心發(fā)熱為主體，也會導(dǎo)致繞組發(fā)熱。 選擇鐵氧體材料時，要求功率損耗隨溫度的變化呈負溫度系數(shù)關(guān)系。這是因為，假如磁心損耗為發(fā)熱主體，使變壓器溫度上升，而溫度上升又導(dǎo)致磁心損耗進一步增大，從而形成惡性循環(huán)，最終將使功率管和變壓器及其他一些元件燒毀。因此國內(nèi)外在研制功率鐵氧體時，必須解決磁性材料本身功率損耗負溫度系數(shù)問題，這也是電源用磁性材料的一個顯著特點，日本TDK公司的PC40及國產(chǎn)的R2KB等材料均能滿足這一要求。 9/20/202216（3）適中的磁導(dǎo)率 相對磁導(dǎo)率究竟選取多少合適呢？這要根據(jù)實際線路的開關(guān)頻率來決定，一

10、般相對磁導(dǎo)率為2000的材料，其適用頻率在300kHz以下，有時也可以高些，但最高不能高于500kHz。對于高于這一頻段的材料，應(yīng)選擇磁導(dǎo)率偏低一點的磁性材料，一般為1300左右。 （4）較高的居里溫度 居里溫度是表示磁性材料失去磁特性的溫度，一般材料的居里溫度在200以上，但是變壓器的實際工作溫度不應(yīng)高于80，這是因為在100以上時，其飽和磁通密度Bs已跌至常溫時的70。因此過高的工作溫度會使磁心的飽和磁通密度跌落的更嚴重。再者，當(dāng)高于100時，其功耗已經(jīng)呈正溫度系數(shù)，會導(dǎo)致惡性循環(huán)。對于R2KB2材料，其允許功耗對應(yīng)的溫度已經(jīng)達到110，居里溫度高達240，滿足高溫使用要求。 9/20/2

11、02217按照功率變壓器的設(shè)計方法，用面積積AP法設(shè)計變壓器的一般步驟：1 .選擇磁芯材料，計算變壓器的視在功率；2. 確定磁芯截面尺寸AP，根據(jù)AP值選擇磁芯尺寸；3. 計算原副邊電感量及匝數(shù)；4. 計算空氣隙的長度；5. 根據(jù)電流密度和原副邊有效值電流求線徑；6. 求銅損和鐵損是否滿足要求（比如：允許損耗和溫升）9/20/202219選擇磁芯材料，確定變壓器的視在功率PT； 考慮成本因數(shù)在此選擇PC40材質(zhì)，查PC40資料得 Bs=0.39T Br=0.06T 為了防止磁芯的瞬間出現(xiàn)飽和，預(yù)留一定裕量，取 Bm= Bmax*0.6=0.198T 取0.2T電源的基本參數(shù)如右：選擇反激拓撲。

12、9/20/2022202. 計算AP （用Excel表格來計算AP值）變壓器視在功率PT：對于反激拓撲來說，式中： J電流密度，通常取395A/cm2; Ku是銅窗有效使用系數(shù)，根據(jù)安規(guī)要求和輸出路數(shù)決定，一般取0.20.4。在此計算取0.49/20/202221 根據(jù)上圖，選擇大于計算AP值的磁芯EE3528，相關(guān)參數(shù)是： Ae:84.8mm2 AP：1.3398cm4 Wa：158mm2 AL：2600nH/H29/20/202222 反為了適應(yīng)突變的負載電流，把電源設(shè)計在臨界模式：臨界電流I0B=0.8I0=2.4A 3. 計算原、副邊電感量及匝數(shù)9/20/202223原、副邊峰值電流 原、副邊及輔助繞組的匝數(shù)9/20/202224 次級線徑： 用4根直徑為0.25mm（AWG #31）的線并繞。 電流趨膚深度的計算 多股線并繞時的線徑必須小于或等于dwH，單線繞制時，線徑如