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文檔簡介
1、第四章 開關(guān)電源中的高頻 磁元件設(shè)計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,繞組可以是一個繞組,也可以是2個或多個。 磁性元件是儲能、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)變壓器用時的主要作用1.電氣隔離、能量傳遞、根據(jù)變比不同,可實現(xiàn)升、降壓,即基本功能;2.電壓、電流測量,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)電感器用時的主要作用1.儲能,濾波;2.抑制電流尖峰,保護易受電流損
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)計的重要意義 由于變壓器和電感器涉及的參數(shù)太多,同時,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)不易測量性,使人們不易透徹掌握其工作情況。不計其數(shù)的規(guī)格使得絕大多數(shù)磁元件要自行設(shè)計,或提供參數(shù)委托設(shè)計、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中,磁感應(yīng)強度顯著增大,磁場使得磁性材料呈現(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,在沒有外磁場作用時,這些磁疇排列方向雜亂無章,見圖4-1(a),小磁疇間的磁場是相互抵消的,整個磁介質(zhì)對外不呈現(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載流線圈中,在電流產(chǎn)生的外磁場作用下,材料中的磁疇順著磁場方向轉(zhuǎn)動,加強了材料內(nèi)的磁場。外磁場的增強,使得轉(zhuǎn)到外磁場方向的磁疇越來越多,與外磁場同向的磁感應(yīng)強度就越強,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)磁性材料的磁化過程 如將完全無磁狀態(tài)的鐵磁物質(zhì)放在磁場中,磁場強度從零逐
4、漸增加,測量鐵磁物質(zhì)的磁通密度B,得到磁通密度和磁場強度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磁化強度 0真空磁導(dǎo)率 H磁場強度 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H減小,B值將不再按照原來的初始磁化曲線(OS)減小,而是更加緩慢地眼較高的B減小,這是因為發(fā)生剛性轉(zhuǎn)動的磁疇保留了
5、外磁場方向。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)強度B的改變滯后于磁場強度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)反向磁場強度增加到-Hs時,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,B達到最大值Bs,磁介質(zhì)又達到正向飽和。這樣磁場強度由 Hs0-Hc-Hs0HcHs,相應(yīng)的,磁感應(yīng)強度由BsBr0-Bs-Br0Bs,形成一個對原點O對稱的回線,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磁場強度(A/m); B磁感應(yīng)強度(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)強度Bs 隨著磁芯中磁場強度H的增加,剩余的磁感應(yīng)強度出現(xiàn)飽和時的B值,稱飽和磁感應(yīng)強度Bs(如圖4-3)。(4)剩余磁感應(yīng)強度Br 磁芯
7、從磁飽和狀態(tài)去除磁場后,剩余的磁感應(yīng)強度或殘留磁通密度(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)去除磁場后,繼續(xù)反向磁化直至磁感應(yīng)強度減小到零,此時的磁場強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,溫度每變化1C,磁導(dǎo)率的相對變化量,即 (T2T1)式中 1溫度為T1時的磁導(dǎo)率 2溫度為T2時的磁導(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的交叉點相
8、對應(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)強度時的單位體積損耗,該工作磁感應(yīng)強度可表示為:式中 Bw工作磁感應(yīng)強度(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 按使用時磁化過程所產(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,通過磁芯
10、的同時要通過周圍空間(氣隙)才能形成閉合磁路。開路磁芯在磁路各個截面上的磁通不相等,這是開路磁芯的特點。 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高的問題,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)強度關(guān)系等方面進行綜合考慮,最后還要考慮工作頻率和噪聲。4.3 高頻變壓器設(shè)計方法高頻變壓器設(shè)計方法4.3.1 變壓器設(shè)計一般問題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,將電源的能量瞬時地傳輸?shù)截撦d。此外變壓器還提供其他重要的功能。(1)通過改變初級與次級匝比,獲得所需的輸出電壓;(2)
12、增加多個不同匝數(shù)的次級,獲得不同的多路輸出電 壓;(3)變壓器能方便地實現(xiàn)輸入和輸出之間的電氣隔離。4.3 高頻變壓器設(shè)計方法高頻變壓器設(shè)計方法2.變壓器的寄生參數(shù)及其影響 理想變壓器和實際變壓器的區(qū)別在于理想變壓器不儲存任何能量,而實際變壓器都存儲一些不希望的能量。(1)漏感能量 線圈間不耦合磁通經(jīng)過的空間存儲的能量。在等效電路中,漏感與理想變壓器線圈串聯(lián),其存儲能量與負載電流和激勵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)合氣隙存儲的能量。在等效電路中,激磁電感與理想變壓器初級線圈(負載)并聯(lián)。存儲的能量與加到線圈上每匝伏特有關(guān),與負載電流無關(guān)。 4.3 高頻
13、變壓器設(shè)計方法高頻變壓器設(shè)計方法 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)計變壓器時,應(yīng)盡量減少變壓器的漏感。4.3 高頻變壓器設(shè)計方法高頻變壓器設(shè)計方法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”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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法 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)(正激和推挽類拓撲)中 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和負載電流無關(guān)。/oiUDU n4.3 高頻變壓器設(shè)計方法高頻變壓器設(shè)計方法磁芯渦流損耗實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)強度選取0.16T;而在50kHz以上,工作磁感應(yīng)強度應(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)強度擺幅。在200300kHz以下,磁滯損耗為主。在更高頻率時,因為渦流損耗隨頻率平方上升,超過磁滯損耗。不同頻率下比損耗與峰值磁感應(yīng)強度的關(guān)系(100 C)4.3 高頻變壓器設(shè)計方法高頻變壓器設(shè)計方法(2)線圈損耗 在正激或推挽類拓撲中,如果波紋低于斜坡中心值的1/5時,次級峰值電流可以近似等于負載電流,即I2P=Io,而初級峰值電流等于負載電流除以匝數(shù)比,I1P=I2P/n。 線圈損耗正比于占空比D,反比于Ui,在最低Ui時最大。4.3 高頻變壓器設(shè)計方法高頻變壓器設(shè)計方法4.窗口填充系數(shù)(1)高壓時,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。小變壓器更嚴重,因為骨架進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。一般實際窗口總利用率為0.250.5。4.3 高頻變壓器設(shè)計方法高頻變壓器設(shè)計方法5.電路拓撲 反激電路主要用于功率范圍0150W,單端正激變換器范圍為50500W,半橋為1001000W,而全橋應(yīng)為500W以上。 次級橋式整流的全橋和半橋變換器利用率最好。 所有推挽拓撲的優(yōu)點是在給定開關(guān)頻率、相同紋波和閉環(huán)能力時,變壓器和線圈工作頻率時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
17、間都只有1/2周期。4.3 高頻變壓器設(shè)計方法高頻變壓器設(shè)計方法6.頻率 在開關(guān)電源中“頻率”有幾個含義,容易發(fā)生混淆?!伴_關(guān)頻率”fs定義為開關(guān)驅(qū)動脈沖的頻率。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,不會發(fā)生混淆?!皶r鐘頻率”是控制IC芯片產(chǎn)生的時鐘脈沖頻率。 通常情況下,單端IC控制芯片用于單端變換器時,IC芯片的時鐘頻率與變換器開關(guān)頻率相同。4.3 高頻變壓器設(shè)計方法高頻變壓器設(shè)計方法7.占空比 占空比D定義為功率開關(guān)導(dǎo)通時間Ton與開關(guān)周期T的比:D=Ton/T。在推挽類變換器中,時常發(fā)生混亂。例如,在半橋電路工作于最低電壓時,假設(shè)占空比D=0.4
18、5,則變壓器在90%的時間傳輸功率、90%的時間電壓脈沖加在輸入濾波器上等。 但對于單個功率開關(guān)和單個整流器,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。在整個電源設(shè)計,應(yīng)保持D的定義一致。4.3 高頻變壓器設(shè)計方法高頻變壓器設(shè)計方法 當(dāng)輸出電壓恒定時,穩(wěn)態(tài)情況下變壓器線圈上的伏秒為常數(shù),與電網(wǎng)電壓和負載電流無關(guān)。當(dāng)輸入電壓最低時,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,在輸入電壓最低時應(yīng)保證輸出最高電壓,即最大占空比Dmax。實際電路中,存在整流二極管壓降、初級和次級線圈電阻、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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法(2)正激變換器的變壓器,在每個開關(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,同時復(fù)位線圈與初級線圈匝數(shù)相等,必須限制最大占空比小于0.5,因為復(fù)位所需時間等于導(dǎo)通時間,同時還應(yīng)考慮開關(guān)管的關(guān)斷延遲時間。 在推挽類變換器(橋式、半橋、推挽)中,考慮互補開關(guān)管轉(zhuǎn)換時的邏輯延時時間,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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法(3)如果在低輸入電壓Ui正好達到最大占空比Dmax,當(dāng)出現(xiàn)突加負載時,調(diào)節(jié)器沒有備份的伏秒能力,不能影響負載的突變,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,不至于突加負載時造成較大的電壓跌落,這時的占空比稱極限占空比Dlim,通常DmaxDlim。4.3 高頻變壓器設(shè)計方法高頻變壓器設(shè)計方法(4)在電源啟動或突加負載時,瞬時造成輸出電壓跌落。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。4.3 高頻變壓器設(shè)計方法高頻變壓器設(shè)計方法8.匝數(shù)和匝比的選取 匝數(shù)的整取 分數(shù)匝4.3 高頻變壓器設(shè)計方法高頻變壓器設(shè)計方法9.磁通偏移 根據(jù)電磁感應(yīng)定律,一個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,一個周期內(nèi)平均電壓必須為零。 在低頻率主變壓器中,初級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)動波形是對稱的,開關(guān)期間相等的正負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撲(全橋,半橋和中心抽頭推挽),磁通偏移問題最為嚴重。4.3 高頻變壓器設(shè)計方法高頻變壓器設(shè)計方法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,有時需用緩沖和箝位電路處理。 4.3 高頻變壓器設(shè)計方法高頻變壓器設(shè)計方法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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法3 磁芯尺寸(1)面積乘積法面積乘積的粗略預(yù)計: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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法(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時飽和磁通密度在0.3T左右,當(dāng)磁通密度大于0.2T時,磁
23、場強度明顯增加,即磁化電流迅速增加,使線圈損耗增加。為避免在瞬態(tài)時磁芯進入飽和,一般選取磁通密度擺幅為0.16T。 如果頻率超過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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法正激變換器 正激電路和初級電流波形如圖所示。4.3 高頻變壓器設(shè)計方法高頻變壓器設(shè)計方法 一般輸出電流脈動分量I=0.2Io, Io次級斜坡電流的中值。如忽略磁化電流,初級電流峰值為Ii= Io/n。在最低輸入電壓時保證輸出電壓。正激變換器的最大占空度應(yīng)當(dāng)小于0.5。同時為了能承受突加負載等影響,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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法因此可得由電磁感應(yīng)定律得到其中 Ui變壓器初級電壓(V); N1變壓器初級匝數(shù); Ae磁芯的有效截面積(m2); B在導(dǎo)通時間內(nèi)磁通密度擺幅(T); ton導(dǎo)通時間(s)。minmin0.320.506oiiiPUIUIiPeonBUN At(4 12)(4 13)4.3 高頻變壓器設(shè)計方法高頻變壓器設(shè)計方法 在Uimin時,f=1/T,B/tonm
25、ax= Bmax/0.4T。將(4-13)代入(4-12)中,得 若假定初級和所有次級線圈的電流密度相同。忽略復(fù)位線圈所占的窗口,因僅流過磁化電流。令磁芯窗口面積,初級線圈面積,所有次級線圈面積和初級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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法電流密度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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法 推挽變換器 推挽功率變換器實際是兩個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。同時初級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、次級電流密度相同。初級和次級線圈各占骨架窗口一半。初級有兩個線圈,由式(4-15)有minmin21.01oiiiPDUIUI
27、10.22WP PiAANA(420)4.3 高頻變壓器設(shè)計方法高頻變壓器設(shè)計方法式中符號同正激變換器。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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法 半橋和全橋輸出功率 仍然假定在最低輸入電壓時,最大占空度為0.8,晶體管最大導(dǎo)通時間為0.8T/2。效率80。線圈銅充填系數(shù)為0.4。其余符號與推挽、正激一致。 半橋變壓器初級線圈正向和反向?qū)?/p>
28、稱流過電流,初級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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法初級線圈銅面積為于是變壓器初級電壓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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法面積乘積為 全橋變壓器初級電壓比半橋大一倍,
29、相同的磁芯,線圈匝數(shù)大一倍。如果輸出相同的功率,半橋初級比全橋?qū)Ь€截面積大一倍,因此半橋和全橋初級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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法11.線圈(1)集膚效應(yīng) 當(dāng)導(dǎo)體通過高頻電流時,變化的電流就要在導(dǎo)體內(nèi)和導(dǎo)體外產(chǎn)生變化的磁場垂直于電流方向,根據(jù)電磁感應(yīng)定律,高頻磁場在導(dǎo)體內(nèi)沿長度方向產(chǎn)生感應(yīng)電勢,此感應(yīng)電勢在導(dǎo)體內(nèi)整個長度方向產(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,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)計方法高頻變壓
30、器設(shè)計方法集膚深度為式中 電導(dǎo)率,20C時,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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法故 一般磁性元件的線圈溫度高于20C,在導(dǎo)線溫度為100C時,100=43.5m/mm,則穿透深度為: 66.1()mmf76.5f4.3 高頻變壓器設(shè)計方法高頻變壓器設(shè)計方法(2)線圈磁場和鄰近效應(yīng) 如圖4-13(a)所示,兩根流過相反電流導(dǎo)線之間的磁場疊加,場的強度最強。而在兩導(dǎo)線外側(cè),兩磁場抵銷,磁場強度減弱?!啊北硎玖鞒黾埫妫啊北硎玖魅爰埫?。在導(dǎo)體內(nèi)部,由兩導(dǎo)體外側(cè)向內(nèi)逐漸加強,到達導(dǎo)體的內(nèi)表面時磁場最強。4.3 高頻變壓器設(shè)
31、計方法高頻變壓器設(shè)計方法 若兩根導(dǎo)線直徑大于穿透深度d,流過相反的且相等的高頻電流iA和iB時,導(dǎo)體A流過的電流iA產(chǎn)生的磁場A穿過導(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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法 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,也沒有磁場合成磁場為零,沒有磁場
32、地方不存儲能量,能量主要存儲在導(dǎo)線之間。如果寬度bw,單位長度上的電感為若忽略外磁場的能量,單位長度兩導(dǎo)線間存儲的能量為204(/)blLNnHcmbl000222/( )222mIWH V lbIbb 4.3 高頻變壓器設(shè)計方法高頻變壓器設(shè)計方法 可見,如果導(dǎo)線寬度越窄(b變?。?,存儲能量越大。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,表面間的磁場強度越強。導(dǎo)線間存儲的能量與導(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,流過高頻電流的導(dǎo)線與回流導(dǎo)線上下層最好。4
33、.3 高頻變壓器設(shè)計方法高頻變壓器設(shè)計方法(3)變壓器線圈的漏感 典型變壓器磁芯的漏感分析 圖4-15是一個典型的E型磁芯變壓器。如變壓器的初級線圈為4匝,次級為1匝。如果次級流過電流I2(例如10A),根據(jù)變壓器原理,如不考慮磁化電流,初級安匝等于次級安匝,初級電流應(yīng)為I1=I2N2/N1=2.5A。( ) b 交錯繞的線圈(a)單層雙線圈窗口磁場和漏磁4.3 高頻變壓器設(shè)計方法高頻變壓器設(shè)計方法當(dāng)xb時(環(huán)路l1):當(dāng)bxb+c時(環(huán)路l2),在兩線圈之間包圍的環(huán)路中沒有增加電流,磁場強度不變,即Hx=H1,一直保持到x=b+c。當(dāng)xb+c時(環(huán)路l3),包圍了次級反向電流,這里的磁場強度
34、為:11x1x=x=blbI NHH2211()(1)xN IxbcHHxbcHdld4.3 高頻變壓器設(shè)計方法高頻變壓器設(shè)計方法初級線圈送入磁場的能量為:其中21112mbcdSWWWWLI2001120()26bavlbxavllb N IWHlldxl20211()2avclc N IWl20322()6avdld N IWl4.3 高頻變壓器設(shè)計方法高頻變壓器設(shè)計方法初級漏感經(jīng)簡化得其中220130112()()333avlavav SSavNbldlN l kbdLclcll210.35()Sbcdbcdkll 4.3 高頻變壓器設(shè)計方法高頻變壓器設(shè)計方法其他結(jié)構(gòu)的漏磁 對于環(huán)形磁芯
35、,如果是一個高磁導(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,初級與次級之間的相對位置和間隔是產(chǎn)生漏磁的基本原因。 在反激變換器中,次級線圈電流與初級線圈電流不是同時發(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,初級線圈產(chǎn)生的磁通除了大部分經(jīng)過磁芯和串聯(lián)氣隙端面磁通和邊緣磁通外,還有一部分磁通只經(jīng)過部分磁芯磁路的散磁。4.3 高頻變壓器設(shè)計方法高頻變壓器設(shè)計方法減少漏磁的主要方法線圈交錯繞 實際上,變壓器線圈大多為多層,由于鄰近效應(yīng),電流僅集中在初級與初級與次級靠近的一邊導(dǎo)線中寬度流通。在遠離的一邊導(dǎo)體中沒有磁場,也應(yīng)當(dāng)沒有電流,它比集膚效應(yīng)引起更嚴重
36、的交流損耗。4.3 高頻變壓器設(shè)計方法高頻變壓器設(shè)計方法(4)變壓器線圈及導(dǎo)線的選擇 圖4-16是一個變壓器銅損耗和磁芯損耗定性關(guān)系圖。實際上,完全達到最優(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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法絕緣、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,耐潮性變差和機械強度下降,這就是熱老化。4.3 高頻變壓器設(shè)計方法高頻變壓器設(shè)計方法IEC規(guī)定絕緣材料7個耐溫等級如表4-7所示。 熱是絕緣材料老
37、化的主要因素。在達到某一評定終結(jié)的情況下,材料在熱作用下能工作的時間稱為壽命。4.3 高頻變壓器設(shè)計方法高頻變壓器設(shè)計方法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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法熱阻的經(jīng)驗公式為簡單經(jīng)驗公式為線圈溫升為0.70.15295thRAP8 0 08 0 0thwRAkA0.70.85295thTR PAP4.3 高頻變壓器設(shè)計方法高頻變壓器設(shè)計方法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,高的電流密度引起高損耗,降低了整個變換器效率。一般從效率出發(fā),將損耗功率分解到各個元件,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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法計算有效值電流 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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法4.3.2 變壓器設(shè)計基本步驟步驟1:確定
40、變壓器設(shè)計的電源參數(shù) Ui范圍:248372V; 輸出: 5V,50A;(輸出功率250W,有時輸出有一定調(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):2.5W;(變換器效率決定總損耗,根據(jù)經(jīng)驗分配到每個單元) 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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法步驟2:確定絕對占空度限制Dlim,假定額定低Uimin時 Dmax(保證動態(tài)響應(yīng))和額定UiD 絕對限制Dlim:0.47(這實際上考慮了復(fù)位線圈與初級線圈匝數(shù)相等以及動態(tài)時磁
41、芯不飽和) 額定Dmax: 0.42(最低輸入電壓時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,初級伏秒不變。也是次級伏秒) 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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法步驟3:計算輸出電壓加上滿載時二極管正向壓降和次級IR壓降: Uo5.0+0.4=5.4V步驟4:計算希望的匝比: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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法步驟5:根據(jù)工作頻率200kHz,輸出功率250W,在手冊上選擇磁
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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法 步驟6:對于選定的磁芯,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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法 步驟7:由手冊或由使用的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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法步驟8:損耗限制磁通變化量。計算磁芯單位體積損耗:步驟9:根據(jù)電磁感應(yīng)定律計算次級匝數(shù)。因為則3lime/=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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法步驟10:重新計算2匝時的磁感應(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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法步驟11:確定初級匝數(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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法步驟12:決定線圈結(jié)構(gòu) 為減少漏感和線圈損耗采用交錯結(jié)構(gòu)如圖4-18所示。交錯結(jié)構(gòu)使線圈分成2段。每段初級線圈39匝,兩段并
45、聯(lián)。初級電流均等地分配在兩個線圈中。次級每層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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法步驟13:計算200kHz時的穿透深度步驟14:在Uinmin和Dmax(步驟11)條件下,根據(jù)式(4-51)計算每個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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法步驟15: 確定初級線圈 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 次級夾在2個1/2初級之間,次級2匝。 選擇帶寬為16mm(整個線圈有效寬度),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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法4.3.3高頻變壓器設(shè)計以全橋式開關(guān)電源高頻變壓器的設(shè)計為例(1)確定變壓器設(shè)計的電源參數(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):5W;最大溫升:40C;冷卻方式:自然通風(fēng)4.3 高頻變壓器設(shè)計方法高頻變壓器設(shè)計方法(2)確定占空比絕對限制Dlim,假定Uimin時Dmax(保證動態(tài)響應(yīng))和額定UiD絕對限制Dlim:0.472;額定Dmax:0.422;額定UiD:UiminDmax=206.64V,UimaxDlim=347.8V。(3)計算輸出電壓加上滿載時二極管正向壓降 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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法(4)計算希望的匝比 可能選擇的匝比為37:1。(5)計算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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法(6)由窗口面積獲得熱阻為根據(jù)最大溫升T,計算允許的損耗: 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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法(7)計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)定律計算次級匝數(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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法(9)確定初級匝數(shù)重新計算額定UiD和最壞情況下的UimaxDlim條件:(10)計算40kHz時的穿透深度37 5.6207.2ioUDnUVmaxlimmaxlims0.15347.80.252 ()207.2iiBBUDTBUD滿足76.50.3825mmf4.3 高頻變壓器設(shè)計方法高頻變壓器設(shè)計方法(11)根據(jù) 計算每個線
50、圈的電流有效值 由于副邊為雙半波整流,副邊繞組通過負載電流的時間各占50%,其值為:(12)確定初級線圈可選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)計方法高頻變壓器設(shè)計方法(13)確定次級線圈由于導(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)計電感器和反激變壓器的設(shè)計 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,存儲在磁場中,然后將這些能量(減去損耗)傳輸?shù)截撦d。反激變壓器實際上是一個多繞組的耦合電感。與上一節(jié)變壓器不同,變壓器不希望存儲能量,而反激變壓器首先要存儲能量,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,反激變壓器先儲能后釋放;而耦合濾波電感同時儲能,同時釋放。4.4 電感器和反激變壓器的設(shè)計電感器和反激變壓器的設(shè)計4.4.1 應(yīng)用場合應(yīng)用電路拓撲、工作頻率以及紋波電流等不同,電感設(shè)計考慮的因素也不同。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)計電感器和反激變壓器的設(shè)計電路中,電感有兩個工作模式: 電感電流斷續(xù)模式瞬時安匝(在所有線圈中)在每個開關(guān)周期內(nèi)有一部分時間停留在零狀態(tài)。 電感電流連續(xù)模式在一個周期內(nèi),電感電流盡管可以過零(如倍流電路中濾波電感),電感的安匝(磁勢)沒有停留在零的時間。 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)計電感器和反激變壓器的設(shè)計輸出濾波電感(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)時間和低電平(截止)時間;k=I/2Io。 oSiooffooffo2)1 (2IkfDDUkITUITUL(4-59)4.4 電感器和反激變壓器的設(shè)計電感器和反激變壓器的設(shè)計如果工作在斷續(xù)模式(圖(a),一般按滿載時達到臨界連續(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)時電感遠小于
54、電流連續(xù)時電感值。oSiooffooffo2)1 (2IfDDUITUITUL(4-60)4.4 電感器和反激變壓器的設(shè)計電感器和反激變壓器的設(shè)計Boost Boost 和和Boost/Buck Boost/Buck 電感電感 Boost 和Boost/Buck 電感通常設(shè)計在電流連續(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)通時間電流的中值。變換器效率。 斷續(xù)時需要的電感量: iSioni2IkfDUITUL(4-61)oSiionioni2)1 (2IfDDUITUITUL4.4 電感器和反激變壓器的設(shè)計電
55、感器和反激變壓器的設(shè)計反激變壓器反激變壓器如圖所示。即初級安匝減少時,次級安匝等量增加,反之亦然。雖然總安匝是連續(xù)的,紋波很小,但每個線圈的電流交替由零到最高峰值之間變化。無論什麼工作模式,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)計電感器和反激變壓器的設(shè)計安匝連續(xù)時所需的電感量:式中:k=I1/I1=I2/I2; I1,I2初級和次級脈沖電流的中值。 N1,N2初級和次級匝數(shù);其余符號與前面相同。21oSiiSiioni2)1 (2NNIkfDDUIkfDUITUL4.4 電感器和反激變壓器的設(shè)計電感器和反激變壓器的設(shè)計 電流斷續(xù)模式線圈和磁芯損耗都大。在最大負載時,仍保持斷續(xù)根據(jù)輸入功率等于輸出功率與功率級的損耗之和,則要求的電感為:式
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