開關(guān)電源高頻變壓器的設(shè)計ppt課件

1、l變壓器基礎(chǔ)知識變壓器基礎(chǔ)知識1、變壓器組成：、變壓器組成：原邊繞組初級原邊繞組初級primary side ） 副邊繞組次級副邊繞組次級secondary side ） 原邊電感勵磁電感）原邊電感勵磁電感）-magnetizing inductance漏感漏感-leakage inductance副邊開路或者短路測量原邊副邊開路或者短路測量原邊電感分別得勵磁電感和漏感電感分別得勵磁電感和漏感匝數(shù)比：匝數(shù)比：K=Np/Ns=V1/V2l2、變壓器的構(gòu)成以及作用：、變壓器的構(gòu)成以及作用： 1電氣隔離電氣隔離 2儲能儲能 3變壓變壓 4變流變流高頻變壓器設(shè)計程序：高頻變壓器設(shè)計程序：1.磁芯材料磁

2、芯材料 2.磁芯結(jié)構(gòu)磁芯結(jié)構(gòu)3.磁芯參數(shù)磁芯參數(shù) 4.線圈參數(shù)線圈參數(shù)5.組裝結(jié)構(gòu)組裝結(jié)構(gòu) 6.溫升校核溫升校核 1.1.磁芯材料磁芯材料 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。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、交流渦流損耗小，價格便宜，易加其優(yōu)點是電阻率高、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，軟磁鐵氧體材料更能全面滿足高

3、頻變壓器的設(shè)計要求，進行認(rèn)真考慮，才可以使設(shè)計出來的變壓器達到比較理進行認(rèn)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。想的性能價格比。2.2.磁芯結(jié)構(gòu)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，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。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。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。3.3.磁芯參數(shù)：磁芯參數(shù)： 磁

4、芯參數(shù)設(shè)計中，要特別注意工作磁通密度不只是磁芯參數(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，同時還與功率傳送的工受磁化曲線限制，還要受損耗的限制，同時還與功率傳送的工作方式有關(guān)。作方式有關(guān)。 磁通單方向變化時：磁通單方向變化時：B=Bs-BrB=Bs-Br，既受飽和磁通，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）。工作磁通密度會影響磁通密度）。工作磁通密度Bm=0.6Bm=0.60.7B0.7B 開氣隙可以降低開氣隙可以降低Br,Br,以增大磁通密度變化值以增大磁通密度變化

5、值BB，開氣隙后，勵，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：而言： 最大的工作磁通密度最大的工作磁通密度BmBm，B=2BmB=2Bm。在雙方向變化工作。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(fù)變化的伏秒面模式時，還要注意由于各種原因造成勵磁的正負(fù)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，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。或者在電路設(shè)計時加隔直流電容。4.4.線圈參數(shù)：線圈參數(shù)： 線圈參數(shù)包括：匝數(shù)，導(dǎo)線截面直徑

6、），導(dǎo)線形式，線圈參數(shù)包括：匝數(shù)，導(dǎo)線截面直徑），導(dǎo)線形式，繞組排列和絕緣安排。繞組排列和絕緣安排。 導(dǎo)線截面直徑?jīng)Q定于繞組的電流密度。通常取導(dǎo)線截面直徑?jīng)Q定于繞組的電流密度。通常取J J為為2.52.54A/mm24A/mm2。導(dǎo)線直徑的選擇還要考慮趨膚效應(yīng)。如。導(dǎo)線直徑的選擇還要考慮趨膚效應(yīng)。如必要，還要經(jīng)過變壓器溫升校核后進行必要的調(diào)整。必要，還要經(jīng)過變壓器溫升校核后進行必要的調(diào)整。4.4.線圈參數(shù)：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列。下面推薦兩種繞組排列形式：饋繞組逐漸向外排列。下面推薦兩種繞組排列

7、形式：1 1如果原繞組電壓高例如如果原繞組電壓高例如220V220V），副繞組電壓低，可），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；絕緣安排；2 2如果要增加原副繞組之間的耦合，可以采用一半原繞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。一半原繞組的排列形式，這樣有利于減小漏感。5.5.組裝結(jié)

8、構(gòu)：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)。裝結(jié)構(gòu)。6.6.溫升校核：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于允許溫升1515度以上，適當(dāng)增加電流密度和減小導(dǎo)線度以上，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)減小電流密度和增加截面，如果超過允許溫升，適當(dāng)減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，導(dǎo)線截面，如增加直徑，窗口繞

9、不下，要加大磁芯，增加磁芯的散熱面積。增加磁芯的散熱面積。功率變壓器根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為三大類：功率變壓器根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為三大類：（1 1反激式變壓器；反激式變壓器；（2 2正激式變壓器；正激式變壓器；（3 3推挽式變壓器全橋推挽式變壓器全橋/ /半橋變換器中的變壓器）半橋變換器中的變壓器）磁芯結(jié)構(gòu)適合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式如下頁表所示：磁芯結(jié)構(gòu)適合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式如下頁表所示：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 -

10、+0P Cores -+0Ring Cores -+=+=適宜；適宜； 0=0=普通；普通；-=-=不適合不適合 磁芯材料的選擇應(yīng)注意的問題：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，、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。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，、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錳鋅鐵氧體的組成部分是Fe2O3，MnCO3，ZnO，它主要應(yīng)用在，它主要應(yīng)用在1MHz以下的各類濾波器、電感器、變壓器

11、等，用途廣泛。而鎳鋅以下的各類濾波器、電感器、變壓器等，用途廣泛。而鎳鋅鐵氧體的組成部分是鐵氧體的組成部分是Fe2O3，NiO，ZnO等，主要用于等，主要用于1MHz以上的以上的各種調(diào)感繞組、抗干擾磁珠、共用天線匹配器等。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、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，其材料牌號多為高導(dǎo)磁率磁心，其材料牌號多為R4KR10K，即相對磁導(dǎo)率為，即相對磁導(dǎo)率為

12、400010000左右的鐵氧體磁心，而用于主變壓器、輸出濾波器等左右的鐵氧體磁心，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，其多為高飽和磁通密度的磁性材料，其Bs為為0.5T即即5000GS左右。左右。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(fù)半周勵磁電流大小相等，方

13、向相反，因此對于變壓器磁心里的磁通變化，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。 變壓器或者電感根據(jù)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的工作方式分為三變壓器或者電感根據(jù)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的工作方式分為三大類：大類：1 1、直流濾波電感工作狀態(tài)，電感磁芯只工作在、直流濾波電感工作狀態(tài)，電感磁芯只工作在一個象限。屬于這類工作狀態(tài)的

14、電感有一個象限。屬于這類工作狀態(tài)的電感有BoostBoost電感、電感、BuckBuck電感、電感、Buck/boostBuck/boost電感、正激以及所有推挽拓?fù)潆姼小⒄ひ约八型仆焱負(fù)渥儞Q器輸出濾波電感、單端反激變換器變壓器；變換器輸出濾波電感、單端反激變換器變壓器； 2 2、正激變換器中的變壓器，磁芯也只工作在一、正激變換器中的變壓器，磁芯也只工作在一個象限，但變壓器要進行磁復(fù)位。個象限，但變壓器要進行磁復(fù)位。 3 3、 推挽拓?fù)渲械淖儔浩?，磁芯是雙向交變磁化，推挽拓?fù)渲械淖儔浩?，磁芯是雙向交變磁化，屬于這類的變換器有推挽變換器、半橋和全橋變換器、屬于這類的變換器有推挽變換器、半橋和

15、全橋變換器、交流濾波電感等。交流濾波電感等。（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(fù)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

16、在研制功率鐵氧體時，必須解決磁性材料本身功率損耗負(fù)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。 （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

17、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(yán)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。 變壓器的設(shè)計原則及方法變壓器的設(shè)計原則及方法設(shè)計變壓器主要有很兩種方法：面積積設(shè)計變壓器主要有很兩種方法：面積積AP法法 AP：磁芯截面積：磁芯截面積Ae與線圈與線圈有效窗口面積有效窗口面積Aw的乘積。的乘積。 PT-變壓器的計算功率變壓器的計算功率Ae-磁芯有效截面積磁芯有效截面積Aw-磁芯窗口面積磁芯窗口面積Ko-磁芯窗口利用系數(shù)，典型值為磁芯窗口利用系數(shù)，

18、典型值為0.4Kf-波形系數(shù)，方波為波形系數(shù)，方波為4，正弦波為，正弦波為4.44Bw-磁芯的工作磁感強度磁芯的工作磁感強度Fs-開關(guān)工作頻率開關(guān)工作頻率Kj-電流密度系數(shù)，取電流密度系數(shù)，取395A/cm2X-磁芯結(jié)構(gòu)系數(shù)，磁芯結(jié)構(gòu)系數(shù)，P107表表3-8按照功率變壓器的設(shè)計方法，用面積積按照功率變壓器的設(shè)計方法，用面積積AP法法設(shè)計變壓器的一般步驟：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；選擇磁芯材料，計算變壓器的視在功率；2. 確定磁芯截面尺寸確定磁芯截面尺寸AP，根據(jù)，根據(jù)AP值選擇磁芯值選擇磁芯尺寸；尺寸；3. 計算原副邊電感量及匝數(shù)；計算原副邊電感量及匝數(shù)；

19、4. 計算空氣隙的長度；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；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：允許求銅損和鐵損是否滿足要求比如：允許損耗和溫升）損耗和溫升）選擇磁芯材料，確定變壓器的視在功率選擇磁芯材料，確定變壓器的視在功率PTPT； 考慮成本因數(shù)在此選擇考慮成本因數(shù)在此選擇PC40PC40材質(zhì)，查材質(zhì)，查PC40PC40資料得資料得 Bs=0.39T Br=0.06T Bs=0.39T Br=0.06T max0.390.060.33srBBBTTT 為了防止磁芯的瞬間出現(xiàn)飽和，預(yù)留一定裕量，取為了防止磁芯的瞬間出現(xiàn)飽和，預(yù)留

20、一定裕量，取 Bm= BmaxBm= Bmax* *0.6=0.198T 0.6=0.198T 取取0.2T0.2T電源的基本參數(shù)如右：電源的基本參數(shù)如右：選擇反激拓?fù)?。選擇反激拓?fù)洹?. 2. 計算計算AP AP （用（用ExcelExcel表格來計算表格來計算APAP值）值）變壓器視在功率變壓器視在功率PTPT：對于反激拓?fù)鋪碚f，：對于反激拓?fù)鋪碚f，(21 1)*3(21 1)*3148.50.8outTinoutoutPPPPPW44*100.783*1000*TmsuPAPcmBfJK式中：式中： J J電流密度，通常取電流密度，通常取395A/cm2; 395A/cm2; KuKu是

21、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，一般取般取0.20.20.40.4。在此計算取。在此計算取0.40.4 根據(jù)上圖，選擇大于計算根據(jù)上圖，選擇大于計算APAP值的磁芯值的磁芯EE3528EE3528，相關(guān)參數(shù)是：，相關(guān)參數(shù)是： Ae:84.8mm2 APAe:84.8mm2 AP：1.3398cm41.3398cm4 Wa Wa：158mm2 AL158mm2 AL：2600nH/H22600nH/H2 反為了適應(yīng)突變的負(fù)載電流，把電源設(shè)計在臨界模式：反為了適應(yīng)突變的負(fù)載電流，把電源設(shè)計在臨界模式：臨界電流臨界電流I0B=0.8I0

22、B=0.8I0=2.4A I0=2.4A 3. 3. 計算原、副邊電感量及匝數(shù)計算原、副邊電感量及匝數(shù)原、副邊峰值電流原、副邊峰值電流 原、副邊及輔助繞原、副邊及輔助繞組的匝數(shù)組的匝數(shù) 為了避免磁芯飽和，在磁回路中加入一個適當(dāng)?shù)臍庀?，計為了避免磁芯飽和，在磁回路中加入一個適當(dāng)?shù)臍庀叮嬎闳缦拢核闳缦拢?820.4*10l0.4 * 3.14156 *106* 84.80.831434 * 0.001pegpNALm md1.13*0.346prmswpImmJ 5. 5.原、副邊及輔助繞組的線徑原、副邊及輔助繞組的線徑有兩種方法：有兩種方法：1 1、求裸線面積；、求裸線面積； 2 2、求導(dǎo)線直徑、求導(dǎo)線直徑 （J J電流密度取電流密度取4A/mm2)4A/mm2) 用兩根直徑為用兩根直徑為0.18mm0.18mm線并繞，或者用線并繞，或者用AWG #28AWG #28單股線單股線32*0.77A0.731*10rmsxpIcmJ 可能要用氣隙磁通邊緣效應(yīng)校正匝數(shù)可能要用氣隙磁通邊緣效應(yīng)校正匝數(shù) 次級線徑：次級線徑：0d1.13*1.0wpImmJ 用用4 4根直徑為根直徑為0.25mm0.25mmAWG #31AWG #31的線并繞。的線并繞。 電流趨膚深度的計算電流趨膚深度的計算76.5*1000