開關(guān)電源課程設(shè)計(jì)：反激式開關(guān)電源變壓器參數(shù)的計(jì)算

1、開關(guān)電源設(shè)計(jì)與變壓器工程與設(shè)計(jì)課程期末考查報(bào)告報(bào)告名稱：反激式開關(guān)電源變壓器參數(shù)的計(jì)算學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：專業(yè)班級(jí)：指導(dǎo)教師：二0一七年十二月二十日反激式開關(guān)電源變壓器參數(shù)的計(jì)算儲(chǔ)能濾波電容進(jìn)行充電時(shí)，電容兩端的電壓是按正弦曲線的速率變化，而儲(chǔ)能濾波電容進(jìn)行放電時(shí)，電容兩端的電壓是按指數(shù)曲線的速率變化，但由于電容充、放電的曲率都非常小，所以，把圖1-19反激式變壓器開關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電容兩端電壓的充、放電波形畫成了鋸齒波，這也相當(dāng)于用曲率的平均值來取代曲線的曲率，如圖1-26所示。圖1-26中，uo是變壓器次級(jí)線圈輸出波形，Up是變壓器次級(jí)線圈輸出電壓正半周波形的峰值，Up-是變壓器次級(jí)線圈輸出電壓

2、負(fù)半周波形的峰值，Upa是變壓器次級(jí)線圈輸出電壓波形的半波平均值，uc是儲(chǔ)能濾波電容兩端的電壓波形，Uo是反激式變壓器開關(guān)電源輸出電壓的平均值，i1是流過變壓器初級(jí)線圈的電流，i2是流過變壓器次級(jí)線圈的電流，Io是流過負(fù)載兩端的平均電流。電容參數(shù)的計(jì)算方法完全相同。反激式變壓器開關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電容參數(shù)的計(jì)算，除了參考圖1-7以外，還可以參考前面串聯(lián)式開關(guān)電源或反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源中儲(chǔ)能濾波電容參數(shù)的計(jì)算方法，同時(shí)還可以參考圖1-6中儲(chǔ)能濾波電容C的充、放電過程。從圖1-26可以看出，反激式變壓器開關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電容充、放電波形與圖1-7反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電容充、放電波形（圖1-8-b）基

3、本相同，只是極性正好相反。因此，圖1-19反激式變壓器開關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電容參數(shù)的計(jì)算方法與圖1-7反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源儲(chǔ)能濾波Ua從圖1-26中可以看出，反激式變壓器開關(guān)電源與反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源中的儲(chǔ)能電感一樣，僅在控制開關(guān)K關(guān)斷期間才產(chǎn)生反電動(dòng)勢向負(fù)載提供能量，因此,即使是在占空比D等于0.5的情況下，儲(chǔ)能濾波電容器充電的時(shí)間與放電的時(shí)間也不相等，電容器充電的時(shí)間小于半個(gè)工作周期，而電容器放電的時(shí)間則大于半個(gè)工作周期，但電容器充、放電的電荷是相等的，即電容器充電時(shí)的電流大于放電時(shí)的電流。從圖1-26可以看出，反激式變壓器開關(guān)電源，流過負(fù)載的電流比正激式變壓器開關(guān)電源流過負(fù)載的電流小一倍，流過負(fù)

4、載的電流Io只有流過變壓器次級(jí)線圈最大電流iLm的四分之一。在占空比D等于0.5的情況下，電容器充電的時(shí)問-T,電容充電電流的平均值-iLm，或-Io;而電容器放電的時(shí)間為-T電容放電電流的平均值為0.9Io。因此有:339加"小話/D=0.5時(shí)T為工作周期。電式中AQ為電容器充電的電荷，Io流過負(fù)載的平均電流,容充電時(shí)，電容兩端的電壓由最小值充到最大值（絕對(duì)值），相應(yīng)的電壓增量為2AUc,由此求得電容器兩端的波紋電壓AUP-P為：AUp.p=2AUc-由此可得：9916”D=0.5時(shí)（1-117）D=0.5時(shí)D=0.5時(shí)1-118）式和（1-119）式，就是計(jì)算反激式變壓器開關(guān)電源

5、儲(chǔ)能濾波電容的公式（D=0.5時(shí)）。式中：Io是流過負(fù)載電流的平均值，T為開關(guān)工作周期，AUP-P為濾波輸出電壓的波紋，或電壓紋波。一般波紋電壓都是取電壓增量的峰-峰值，因此，當(dāng)D=0.5時(shí)，波紋電壓等于電容器充電的電壓增量，即:AUP-P=2AUc。同理，（1-118）式和（1-119）式的計(jì)算結(jié)果，只給出了計(jì)算反激式變壓器開關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電容C的中間值，或平均值，對(duì)于極端情況可以在平均值的計(jì)算結(jié)果上再乘以一個(gè)大于1的系數(shù)。當(dāng)開關(guān)K工作占空比D小于0.5時(shí)，由于流過開關(guān)電源變壓器次級(jí)線圈的電流會(huì)不連續(xù)，電容器放電的時(shí)間將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電容器充電的時(shí)間，因此，開關(guān)電源濾波輸出電壓的紋波將顯著增大。另

6、外，開關(guān)電源的負(fù)載一般也不是固定的，當(dāng)負(fù)載電流增大的時(shí)候，開關(guān)電源濾波輸出電壓的紋波也將會(huì)增大。因此，設(shè)計(jì)開關(guān)電源的時(shí)候要留有充分的余量，實(shí)際應(yīng)用中最好按（1-118）式計(jì)算結(jié)果的2倍以上來選取儲(chǔ)能濾波電容的參數(shù)。反激式開關(guān)電源變壓器的參數(shù)計(jì)算與正激式開關(guān)電源變壓器的參數(shù)計(jì)算相比，除了變壓器初級(jí)線圈的匝數(shù)和伏秒容量，變壓器初、次級(jí)線圈的匝數(shù)比，以及變壓器各個(gè)繞組的額定輸入或輸出電流或功率以外，還需要特別注意考慮變壓器初級(jí)線圈的電感量。反激式開關(guān)電源變壓器對(duì)初級(jí)線圈的電感量要求，與正激式開關(guān)電源變壓器對(duì)初級(jí)線圈的電感量要求，幾乎完全不同。對(duì)于正激式開關(guān)電源變壓器對(duì)初級(jí)線圈電感量的要求，如果不考慮

7、變壓器初級(jí)線圈本身的電阻損耗，以及變壓器的體積和成本，則初級(jí)線圈的匝數(shù)是越多越好，電感量也是越大越好；而反激式開關(guān)電源變壓器對(duì)初級(jí)線圈的電感量要求，則要求變壓器在滿足伏秒容量的前提下，對(duì)變壓器初級(jí)線圈電感的大小也有特別要求，就是求變壓器初級(jí)線圈電感存儲(chǔ)的能量必須滿足向負(fù)載提供功率輸出的要求。關(guān)于開關(guān)電源變壓器的工作原理以及參數(shù)設(shè)計(jì)后面還要更詳細(xì)分析，這里只做比較簡單的介紹。（1）反激式開關(guān)電源變壓器初級(jí)線圈匝數(shù)的計(jì)算反激式開關(guān)電源變壓器初級(jí)線圈匝數(shù)的計(jì)算與正激式開關(guān)電源變壓器初級(jí)線圈匝數(shù)的計(jì)算方法基本相同，請參考前面“1-6-3.正激式變壓器開關(guān)電源電路參數(shù)計(jì)算”中的“2.1變壓器初級(jí)線圈匝數(shù)

8、的計(jì)算”章節(jié)中的內(nèi)容。反激式開關(guān)電源變壓器初級(jí)線圈的最少匝數(shù)與（1-95）式完全相同，即：ah-(1-95)(1-120)式中，N1為變壓器初級(jí)線圈N1繞組的最少匝數(shù)，S為變壓器鐵心的導(dǎo)磁面積（單位：平方厘米）,Bm為變壓器鐵心的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度（單位：高斯）,Br為變壓器鐵心的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度（單位：高斯），Br一般簡稱剩磁，r=Ton,為控制開關(guān)的接通時(shí)間，簡稱脈沖寬度，或電源開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間的寬度（單位：秒），一般p取值時(shí)要留預(yù)留20%；上的余量，Ui為工電壓，單位為伏。式中的指數(shù)是統(tǒng)一單位用的，選用不同單位，指數(shù)的值也不一樣，這里選用CGSI位制，即：長度為厘米（cm）,磁感應(yīng)強(qiáng)度為高斯（G

9、s）,磁通單位為麥克斯韋（M）x）。（1-120）式中為變壓器的伏秒容量，即：伏秒容量等于輸入脈沖電壓幅度與脈沖寬度的乘積，這里我們把伏秒容量用US來表示。伏秒容量US表示：一個(gè)變壓器能夠承受多高的輸入電壓和多長時(shí)間的沖擊。在一定的變壓器伏秒容量條件下，輸入電壓越高，變壓器能夠承受沖擊的時(shí)間就越短，反之，輸入電壓越低，變壓器能夠承受沖擊的時(shí)間就越長；而在一定的工作電壓條件下，變壓器的伏秒容量越大，變壓器鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度就越低，變壓器的鐵心就更不容易飽和。變壓器的伏秒容量與變壓器的體積以及功率無關(guān)，而只與磁通的變化量有關(guān)。必須指出BmffiBr都不是一個(gè)常量，當(dāng)流過變壓器初級(jí)線圈的電流很小時(shí)，

10、Bm是隨著電流增大而增大的，1當(dāng)電流再繼續(xù)增大時(shí)，BE等不能繼續(xù)增大，這種現(xiàn)象稱磁飽和。變壓器要避免工作在磁飽和狀態(tài)。為了防止脈沖變壓器飽和，一般開關(guān)變壓器都在磁回路中留一定的氣隙。由于空氣的導(dǎo)磁率與鐵心的導(dǎo)磁率相差成千上萬倍，因此，只要在磁回路中留百分之一或幾百分之一的氣隙長度，其磁阻或者磁動(dòng)勢將大部分都落在氣隙上，因此磁心也就很難飽和。在沒有留氣隙的變壓器鐵心中的B舟口Br的值一般都很高，但兩者之間的差值卻很??；留有氣隙的變壓器鐵心，B吊口Br的值一般都要降低，但兩者之間的差值卻可以增大，氣隙留得越大，兩者之間的差值就越大，一般Bm可取10004000高斯，Br可取5001000b反激式開

11、關(guān)電源變壓器鐵心的氣隙要求比正激式開關(guān)電源變壓器鐵心的氣隙大，這是因?yàn)榉醇な介_關(guān)電源的輸出功率，對(duì)變壓器初級(jí)線圈的電感量有要求。順便指出，變壓器鐵心的氣隙留得過大，變壓器初、次級(jí)線圈之間的耦合系數(shù)會(huì)降低，從而使變壓器初、次級(jí)線圈的漏感增大，降低工作效率，并且還容易產(chǎn)生反電動(dòng)勢把電源開關(guān)管擊穿。（2）反激式開關(guān)電源變壓器初級(jí)線圈電感量的計(jì)算反激式開關(guān)電源與正激式開關(guān)電源不同，對(duì)于如圖1-19的反激式開關(guān)電源，其在控制開關(guān)接通其間是不向負(fù)載提供能量的，因此，反激式開關(guān)電源在控制開關(guān)接通期間只存儲(chǔ)能量，而僅在控制開關(guān)關(guān)斷期間才把存儲(chǔ)能量轉(zhuǎn)化成反電動(dòng)勢向負(fù)載提供輸出。在控制開關(guān)接通期間反激式開關(guān)電源是

12、通過流過變壓器初級(jí)線圈的勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁通來存儲(chǔ)磁能量的。根據(jù)（1-98）式和（1-102）式，當(dāng)控制開關(guān)接通時(shí)，流過變壓器初級(jí)線圈的最大勵(lì)磁電流為：1 XIll7H白冏K關(guān)斷瞬間（1-102）對(duì)上式中的勵(lì)磁電流取平均值即：h=然后兩邊均乘以I1,整1.2理后得：U/Ij/T郵.=5Alm變壓器存儲(chǔ)能量（1-121）1丁丁2、一一八口即：52rzim變壓器存儲(chǔ)能量（1-122）1PT或：L1=-茂-變壓器初級(jí)線圈電感量（1-123）Aw（1-123）式就是計(jì)算反激式開關(guān)電源變壓器初級(jí)線圈電感的公式。式中，L1為變壓器初級(jí)線圈的電感，P為變壓器的輸入功率，Ton為控制開關(guān)的接通時(shí)間；I1m為流過

13、變壓器初級(jí)線圈的最大勵(lì)磁電流，I1m=2I1,I1為流過變壓器初級(jí)線圈的勵(lì)磁電流（平均值，可用有效值代之）。由此可知，在計(jì)算反激式開關(guān)電源變壓器的參數(shù)時(shí)，不但要根據(jù)（1-120）式計(jì)算變壓器初級(jí)線圈的最少匝數(shù)，還要計(jì)算變壓器初級(jí)線圈的電感量。當(dāng)變壓器初級(jí)線圈的最少匝數(shù)確定以后，變壓器初級(jí)線圈的電感量就只能再由選擇變壓器鐵心氣隙的大小來決定，或由選擇變壓器鐵心的導(dǎo)磁率來決定。（3）變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比的計(jì)算圖1-19,反激式開關(guān)電源在控制開關(guān)接通期間是不輸出功率的，僅在控制開關(guān)關(guān)斷期間才把存儲(chǔ)能量轉(zhuǎn)化成反電動(dòng)勢向負(fù)載提供輸出。反激式開關(guān)電源變壓器次級(jí)線圈輸出端一般都接有一個(gè)整流二極管，和一個(gè)

14、儲(chǔ)能濾波電容。由于儲(chǔ)能濾波電容的容量很大，具兩端電壓基本不變，變壓器次級(jí)線圈輸出電壓uo相當(dāng)于被整流二極管和輸出電壓Uo進(jìn)行限幅，因此，被限幅后的剩余電壓幅值正好等于輸出電壓Uo的最大值Up,同時(shí)也等于變壓器次級(jí)線圈輸出電壓uo的半波平均值Upa由于反激式變壓器開關(guān)電源的輸出電壓與控制開關(guān)的占空比有關(guān)，因此，在計(jì)算反激式開關(guān)電源變壓器初、次級(jí)線圈的匝數(shù)比之前，首先要確定控制開關(guān)的占空比d把占空比D確定之后，根據(jù)（1-110）式就可以計(jì)算出反激式開關(guān)電源變壓器的初、次級(jí)線圈的匝數(shù)比。根據(jù)（1-110）式：U尸D輸出電壓（1-110）11fll一由此求得：仁：變壓器匝數(shù)比（1-124）（1-110）式和（1-124）式中，Uo為反激式變壓器開關(guān)電源的輸出電壓，Ui變壓器初級(jí)線圈輸入電壓，D為控制開關(guān)的占空比，n=N2/N1為變壓器次級(jí)線圈與初級(jí)線圈的匝數(shù)比。在正常輸出負(fù)載的情況下，考慮到電源開關(guān)管的耐壓問題，反激式開關(guān)電源控制開關(guān)的占空比D的最大值一般都小于0.5。因此，反激式變壓器開關(guān)電源變壓器次級(jí)線圈大部分時(shí)間都是工作在斷流狀態(tài)，如圖1-21。當(dāng)開關(guān)電源變壓器次級(jí)線圈出現(xiàn)斷流時(shí)，流過負(fù)載電流將全部由儲(chǔ)能濾波電容來提供，電容兩端產(chǎn)生的電壓紋波會(huì)增大很多，并且輸出電壓也會(huì)降低。因此，在考慮變壓器次級(jí)線圈與初級(jí)線圈的匝數(shù)比的時(shí)候，也要把這個(gè)因數(shù)一同進(jìn)行考慮，最