反激式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的思考(1)

1、反激式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的思考一對(duì)一般變壓器而言, 原邊繞組的電流由兩部分組成, 一部分是負(fù)載電流分量, 它的大小與副邊負(fù)載有關(guān); 當(dāng)副邊電流加大時(shí), 原邊負(fù)載電流分量也增加, 以抵消副邊電流的作用. 另一部分是勵(lì)磁電流分量, 主要產(chǎn)生主磁通, 在空載運(yùn)行和負(fù)載運(yùn)行時(shí), 該勵(lì)磁分量均不變化.勵(lì)磁電流分量就如同抽水泵中必須保持有適量的水一樣, 若抽水泵中無(wú)水, 它就無(wú)法產(chǎn)生真空效應(yīng), 大氣壓就無(wú)法將水壓上來(lái), 水泵就無(wú)法正常工作; 只有給水泵中加適量的水, 讓水泵排空, 才可正常抽水. 在整個(gè)抽水過(guò)程中, 水泵中保持的水量又是不變的. 這就是, 勵(lì)磁電流在變壓器中必須存在, 并且在整個(gè)工作過(guò)程中保持恒

2、定.正激式變壓器和上述基本一樣, 初級(jí)繞組的電流也由勵(lì)磁電流和負(fù)載電流兩部分組成; 在初級(jí)繞組有電流的同時(shí), 次級(jí)繞組也有電流, 初級(jí)負(fù)載電流分量去平衡次級(jí)電流, 激勵(lì)電流分量會(huì)使磁芯沿磁滯回線移動(dòng). 而初次級(jí)負(fù)載安匝數(shù)相互抵消, 它們不會(huì)使磁芯沿磁滯回線來(lái)回移動(dòng), 而勵(lì)磁電流占初級(jí)總電流很小一部分, 一般不大于總電流10%,因此不會(huì)造成磁芯飽和.反激式變換器和以上所述大不相同, 反激式變換器工作過(guò)程分兩步:第一:開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通, 母線通過(guò)初級(jí)繞組將電能轉(zhuǎn)換為磁能存儲(chǔ)起來(lái);第二:開(kāi)關(guān)管關(guān)斷, 存儲(chǔ)的磁能通過(guò)次級(jí)繞組給電容充電, 同時(shí)給負(fù)載供電.可見(jiàn), 反激式變換器開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí), 次級(jí)繞組均沒(méi)構(gòu)成回

3、路, 整個(gè)變壓器如同僅有一個(gè)初級(jí)繞組的帶磁芯的電感器一樣, 此時(shí)僅有初級(jí)電流, 轉(zhuǎn)換器沒(méi)有次級(jí)安匝數(shù)去抵消它. 初級(jí)的全部電流用于磁芯沿磁滯回線移動(dòng), 實(shí)現(xiàn)電能向磁能的轉(zhuǎn)換; 這種情況極易使磁芯飽和.磁芯飽和時(shí), 很短的時(shí)間內(nèi)極易使開(kāi)關(guān)管損壞. 因?yàn)楫?dāng)磁芯飽和時(shí), 磁感應(yīng)強(qiáng)度基本不變,dB/dt近似為零, 根據(jù)電磁感應(yīng)定律, 將不會(huì)產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)去抵消母線電壓, 初級(jí)繞組線圈的電阻很小, 這樣母線電壓將幾乎全部加在開(kāi)關(guān)管上, 開(kāi)關(guān)管會(huì)瞬時(shí)損壞.由上邊分析可知, 反激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì), 在保證輸出功率的前提下, 首要解決的是磁芯飽和問(wèn)題.如何解決磁芯飽和問(wèn)題? 磁場(chǎng)能量存于何處? 將在下一篇文章

4、:反激式開(kāi)關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)的思考二中討論.反激式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的思考二“反激式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的思考一”文中, 分析了反激式變換器的特殊性防止磁芯和的重要性, 那么如何防止磁芯的飽和呢? 大家知道增加氣隙可在相同B的情況下,IW 的變化范圍擴(kuò)大許多, 為什么氣隙有此作用呢?由全電流定律可知: 由上例可知, 同一個(gè)磁芯在電流不變的條件下, 僅增加1mm 氣隙, 加氣隙的磁 感強(qiáng)度僅為不加氣隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度的4.8%,看來(lái)效果相當(dāng)明顯.加了氣隙后, 是否會(huì)影響輸出功率呢? 換句話說(shuō), 加了氣隙變壓器還能否儲(chǔ) 原來(lái)那些能量呀? 看一下下面的例子就知道了:在“思考一”一文中已討論過(guò), 當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí), 次級(jí)繞

5、組均不構(gòu)成 回路, 此時(shí), 變壓器象是僅有一個(gè)初級(jí)繞組帶磁芯的電感器一樣, 母線將次級(jí)需要的全部 能量都存在這個(gè)電感器里. 如下圖1就是一個(gè)有氣隙的電感器: 圖1表示一個(gè)磁芯長(zhǎng)為lm, 氣隙長(zhǎng)為lg, 截面積為Ae 的磁芯, 在其上繞N 匝線圈, 當(dāng)輸入電壓為Ui 時(shí), 輸入功率為Wi: 6式右邊的積分為圖2中陰影部分面積A, 即就是說(shuō):磁場(chǎng)能量的大小等于磁化曲線b 和縱軸所圍成的面積大小. 圖1中, 假定磁路 各部分的面積相等, 磁芯各部分的磁場(chǎng)強(qiáng)度為Hm, 氣隙部分的磁場(chǎng)強(qiáng)度為Hg, 由 全電流定律得: 11式右邊第一項(xiàng)是磁芯中的磁場(chǎng)能量, 第二項(xiàng)是氣隙部分的磁場(chǎng)能量, 分別用 Wi 和W

6、g 表示; 那么: 圖3中, 曲線m 表示圖1電感器無(wú)氣隙時(shí)的磁化曲線, 曲線g 表示有氣隙時(shí)的磁 化曲線. 圖中, 面積Am 表示儲(chǔ)存在磁芯部分的磁場(chǎng)能量; 面積Ag 表示儲(chǔ)存在氣隙 部分的磁場(chǎng)能量. 上面講了氣隙的作用以及磁場(chǎng)能量在變壓器中的分布, 那么, 根據(jù)輸出功率如何選用磁芯呢? 將在反激式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)思考三中討論.反激式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的思考三(磁芯的選取在DCM 狀態(tài)下選擇:Uin-電源輸入直流電壓Uinmin-電源輸入直流電壓最小值D-占空比Np-初級(jí)繞組匝數(shù)Lp-初級(jí)繞組電感量Ae-磁芯有效面積Ip-初級(jí)峰值電流f-開(kāi)關(guān)頻率Ton-開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間I-初級(jí)繞組電流有效值-開(kāi)關(guān)電源效

7、率J-電流密度 通過(guò)(3式可方便計(jì)算出反激式開(kāi)關(guān)電源在電流斷續(xù)模式 時(shí)磁芯的AeAw 值, 通過(guò)查廠商提供的磁芯參數(shù)表就可選擇 合適的磁芯, 在選擇磁芯時(shí)要留一定的余量.例如:有一反激式開(kāi)關(guān)電源輸出功率為10W, 開(kāi)關(guān)頻率為40KHz, B為0.16T, 電流密度取4.5A/mm2磁芯選用EE 系列, 那么由公式(3可知: 考慮到實(shí)際繞線的絕緣層等的影響, 須考慮填充系數(shù)(取0.8,即:Ap = AeAw/0.8=1.736×1000 / 0.8 = 2207.5通過(guò)上面計(jì)算,EE19磁芯比較接近, 考慮到輔助繞組和其他因素選擇EE20磁芯.為計(jì)算方便,(3式可修正為:Ap = Aw

8、Ae = 6500×P0 / (B×J×f (4單位:P0 - 瓦特;B - 特斯拉J - 安培/平方毫米f - 千赫茲Ap - 毫米的四次方在實(shí)際使用中一定要注意公式的應(yīng)用條件, 公式(4是在單端反激式開(kāi)關(guān)電源電流斷續(xù)模式下推導(dǎo)出來(lái)的, 并且用了一系列假設(shè):1窗口使用系數(shù)SF:0.42初級(jí)繞組面積Ap = 次級(jí)繞組面積 As3當(dāng)直流輸入電壓最低時(shí)Dm=0.54電源效率= 0.85填充系數(shù)為0.8因此, 該計(jì)算值在使用中要根據(jù)實(shí)際情況酌情修正, 并且作為我們選擇磁芯的一個(gè)大致參考, 由于工藝的原因必須通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證而最終確定.另外單端反激式開(kāi)關(guān)電源中, 他激式和自激

9、式的效率差別比較大, 一般自激式的效率比較低, 大概在0.7左右, 使用公式(4時(shí)要乘以(0.8/0.7=1.15進(jìn)行修正.磁芯選好后, 在反激式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該遵循的規(guī)則將在反激式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的思考四中討論.反激式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的思考四-反激式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的規(guī)則由于反激式開(kāi)關(guān)電源的特殊性, 在設(shè)計(jì)時(shí)要特別考慮的問(wèn)題就多一些, 歸納起來(lái)有如下幾點(diǎn):一、任何時(shí)刻開(kāi)關(guān)管上所承受的電壓都要低于它所能夠承受的最大電壓, 并且要有足夠的安全裕量;以此為出發(fā)點(diǎn), 就確定了變壓器的變化;Ucemax = Uinmax + N·Uo + Upk + Uy式中:Ucemax-開(kāi)關(guān)管所能承受的

10、最大電壓N-變比初級(jí)匝數(shù)Np / 次級(jí)匝數(shù)NsUin-直流輸入電壓最大值Uo-輸出電壓Upk-漏感所產(chǎn)生的電壓Uy-電壓裕量此式很重要一點(diǎn), 就是確定了變比N, 變比一確定一系列問(wèn)題就確定下來(lái); 比如:反射電壓:VoR N·Vo;占空比: D = VoR /( Vin +VoR;導(dǎo)通時(shí)間: Ton = D·T變比一定要選擇合適, 以使電路達(dá)到優(yōu)化; 若使用雙極型晶體管對(duì)其基電極的控制很重要, 因?yàn)樗绊懼鳹cemax 的大小:Vces>Vcer>Vceo;在ce 間承受最高電壓時(shí)最好保證be 結(jié)短接或者反偏, 此時(shí)晶體管就可承受較高的反偏電壓.二、任何時(shí)刻都應(yīng)保

11、證磁芯不飽和;由于反激式開(kāi)關(guān)變壓器的特殊性, 磁芯飽和問(wèn)題在反激式變換器的設(shè)計(jì)中尤為重要. 一旦磁芯飽和, 開(kāi)關(guān)管瞬間就會(huì)損壞. 為防止磁芯飽和反激式開(kāi)關(guān)變壓器磁芯一般都留氣隙, 顯著擴(kuò)大磁場(chǎng)強(qiáng)度的范圍, 但僅靠氣隙并不能完全解決磁芯飽和的問(wèn)題, 由磁感應(yīng)定律很容易得出: 由(1式知:磁感應(yīng)強(qiáng)度與輸入電壓和導(dǎo)通時(shí)間有關(guān). 在輸入 電壓一定時(shí), 由反饋電路保證Ton 的合適值.在工作過(guò)程中, 根據(jù)磁飽和的形式分兩種情況:一種是:一次性飽和:當(dāng)反饋環(huán)路突然失控時(shí), 在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通一直 持續(xù),直到過(guò)大的Ip 使磁芯飽和而使開(kāi)關(guān)管立即 損壞;另一種是:逐次積累式飽和:磁芯每個(gè)周期都有置位與復(fù)位動(dòng)作,

12、 反激式開(kāi)關(guān) 電源磁芯置位是由初級(jí)繞組來(lái)實(shí)現(xiàn), 磁芯復(fù)位是由 次級(jí)繞組和輸出電路來(lái)實(shí)現(xiàn). 當(dāng)電路等設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí), 每次磁芯不能完全復(fù)位, 一次次的積累, 在若干周期內(nèi)磁芯飽和. 就像吹氣不一樣, 一口氣吹破就相當(dāng)磁芯一次性飽和; 每吹一次, 就排氣, 但每次排氣量都比進(jìn)氣量少一點(diǎn), 這樣循環(huán)幾次后, 氣球就會(huì)被撐破的; 若每次充排氣量相同, 氣球就不會(huì)破的, 磁芯也是如此, 如下圖: 磁芯從a b c 為置位, 從c d a 為復(fù)位, 每個(gè)周期都要回到a, 磁芯就不會(huì)飽和. 對(duì)于反激式開(kāi)關(guān)電源的斷續(xù)模式, 磁芯復(fù)位一般是不成問(wèn)題的.三、始終保持變換器工作于一個(gè)模式如CCM 或DCM; 不要在兩個(gè)

13、模式之間轉(zhuǎn)換, 這兩種模式不同, 對(duì)反饋回路的調(diào)節(jié)電路要求也不同, 在考慮某一種模式而設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)電路,如運(yùn)行到另一模式時(shí)易引起不穩(wěn)定或者性能下降.四、保證最小導(dǎo)通時(shí)間不接近雙極性開(kāi)關(guān)管的存儲(chǔ)時(shí)間;(MOSFET 管例外在設(shè)計(jì)反激式開(kāi)關(guān)電源時(shí), 特別在開(kāi)關(guān)電源 頻率較高、直流輸入電壓最高, 負(fù)載又較輕 時(shí), 開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間Ton 最小, 若這個(gè)時(shí)間接近或小于雙極性晶體管的存儲(chǔ)時(shí)間(0.5s1.0s時(shí), 極易造成開(kāi)關(guān)管失控, 而使磁芯飽和. 此時(shí)就要重新審視開(kāi)關(guān)頻率的選擇, 或能否工作于如此高電壓或者通過(guò)調(diào)節(jié)占空比來(lái)適應(yīng). 或者選用其他電路拓?fù)?五、不要將變換器的重要元件的參數(shù)選得接近分布參數(shù); 具

14、體來(lái)說(shuō), 電阻不要太大, 電容器和電感器不要太小.(1許多反激式開(kāi)關(guān)電源都有一個(gè)振蕩頻率, 由IC 芯片提供, 如UC3842, 由RC 決定, 當(dāng)把R 選擇太大,C 太小時(shí), 就易使穩(wěn)定性特別差; 如電容C 小得接近分布參數(shù), 也就是說(shuō) 取掉該電容由線路板及其它元件間的分布參數(shù)而形成的容值都和所選的電容容值差不多; 或者所選電阻太大以至于線路板上的漏電流所等效的阻值都和所選的電阻大小差不多; 這將 造成工作不穩(wěn)定, 如溫度或濕度變化時(shí)其分布參數(shù)也跟著變 化, 嚴(yán)重影響振蕩的穩(wěn)定性.R 一般不要大于1M 歐,C 一般不 要小于22PF.(2反激式開(kāi)關(guān)電源的輸出功率如下式:(DCM 由(2式可知

15、:在電流斷續(xù)模式時(shí), 當(dāng)電壓和頻率固定的情況下, 輸出功率和變壓器的初級(jí)電感成反比. 即要增加功率就要減小初級(jí)繞組的電感量. 反激式開(kāi)關(guān)變壓器的特殊性:當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)變壓器相當(dāng)于僅有初級(jí)繞組的一個(gè)帶磁芯的電感器,當(dāng)這個(gè)電感器小到一定值時(shí)就不可太小了, 當(dāng)小至和分布電感值差不多時(shí), 這樣變壓器的參數(shù)就沒(méi)有一致性, 工作穩(wěn)定性差, 可能分布參數(shù)的變化都會(huì)使整個(gè)電感值變化一少半, 電路的可靠性就無(wú)從談起. 初級(jí)電感值至少應(yīng)是分布電感的10倍以上.(3同樣道理, 磁芯的氣隙也不可選的太少, 太小的話, 磁芯稍微的變動(dòng)(如熱脹冷縮 對(duì)氣隙來(lái)說(shuō)都顯得占的比例很大, 這樣的變壓器就無(wú)一致性可言, 更無(wú)法批量

16、生產(chǎn).六、反激式變換器的輸出濾波電容比起其它拓?fù)湫问降碾娐匪艿臎_擊更大, 它的選擇好壞對(duì)整個(gè)電源的性能及壽命有舉足輕重的作用. 選擇時(shí), 一般是按紋波電壓要求初選電容值, 用電容的額定紋波電流確定電容值, 這樣比較安全穩(wěn)妥. 當(dāng)然, 耐壓值和溫度等級(jí)也要足夠.七、降低損耗, 遏制溫升, 提高效率, 延長(zhǎng)壽命開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部的損耗主要分四個(gè)方面:(1開(kāi)關(guān)損耗 如:功率開(kāi)關(guān), 驅(qū)動(dòng);(2導(dǎo)通損耗 如:輸出整流器, 電解電容中電阻損耗;(3附加損耗 如:控制IC, 反饋電路, 啟動(dòng)電路, 驅(qū)動(dòng)電路;(4電阻損耗 如:預(yù)加負(fù)載等;在反激式開(kāi)關(guān)電源中, 功率開(kāi)關(guān)和驅(qū)動(dòng)以及輸出整流部分占損耗的90%多, 磁

17、性元件占5%,其它占5%; 損耗直接影響效率, 更影響電源的穩(wěn)定性和工作壽命. 損耗都以發(fā)熱而表現(xiàn)出來(lái), 晶體管和電容和磁性元件都對(duì)溫度很敏感; 下面看一下溫度的影響:(1溫度每升高10, 電解電容的壽命就會(huì)減半(2在高溫和反向電壓接近額定值時(shí), 肖特基二極管的漏電很?chē)?yán)重, 就像陰陽(yáng)極通路一樣;(3通用磁性材料, 從25到100飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度下降30%左右; 在這里, 磁性材料的損耗雖然說(shuō)占比例很小但是它對(duì)整個(gè)開(kāi)關(guān)電源的影響非常大. 比如在正常工作時(shí), 設(shè)計(jì)的最大磁通密度偏大, 由于溫升的原因?qū)⑹癸柡痛鸥袘?yīng)強(qiáng)度下降, 再加上反饋回路的延遲效應(yīng)而使導(dǎo)通時(shí)間加長(zhǎng),極易使磁芯飽和, 瞬間開(kāi)關(guān)管損壞.

18、 在此設(shè)計(jì)時(shí), 最好保證銅耗接近于磁耗, 初級(jí)繞組的銅耗接近于次級(jí)繞組的銅耗以達(dá)到最優(yōu)化的設(shè)計(jì)防止磁芯過(guò)渡溫升.(4MOSFET管, 每升高25, 柵極閥值電壓下降5%;MOSFET管的最大節(jié)點(diǎn)溫度時(shí)150, 節(jié)點(diǎn)溫度的理想值為105,最高不要超過(guò)125;MOSFET 管,Rds 隨溫度的升高而增大.(5雙極型晶體管, 隨溫度的升高,Vce 而減小, 在環(huán)境溫度較高或接近最高結(jié)溫時(shí), 晶體管的實(shí)際最高耐壓會(huì)有所下降, 并且漏電流會(huì)更進(jìn)一步增加, 很易造成熱損耗. 所以,在設(shè)計(jì)時(shí), 盡可能降低元件本身?yè)p耗而造成的溫升, 也要注意遠(yuǎn)離熱源, 不因外界原因而造成溫升. 更要優(yōu)化設(shè)計(jì)減小損耗, 提高效

19、率, 延長(zhǎng)元器件及整個(gè)電源的工作壽命.反激式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的思考五-常用公式的理解在反激式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)之前, 我們必須對(duì)要用到的公式有所了解, 這樣不 至于造成不管公式適用條件如何, 拿來(lái)就用, 以致看似合理實(shí)則差之遠(yuǎn)矣. 下面將在反激式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中常用的公式分析如下:再講電源設(shè)計(jì)用公式前先看一看一些基本的知識(shí).一、基本知識(shí)1. 磁場(chǎng)的產(chǎn)生:磁場(chǎng)是由運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生的, 變壓器磁芯中的磁場(chǎng)是由繞組中的傳導(dǎo)電流產(chǎn)生 , 磁鐵的磁場(chǎng)是由“分子電流”產(chǎn)生.2. 右手定則右手定則用于判斷通電螺線管的磁極(N極/S極, 或者說(shuō)磁力線的方向, 用右手握住螺線管, 彎曲的四指沿電流回繞方向?qū)⒛粗干熘? 這時(shí)拇指

20、指向 螺線管的N 極或者磁力線的方向.3. 磁感應(yīng)強(qiáng)度B磁場(chǎng)是由運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生的, 同時(shí), 運(yùn)動(dòng)的電荷在磁場(chǎng)中又會(huì)受到力的作用. 由此, 人們通過(guò)在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的電荷所受磁場(chǎng)力的大小來(lái)反映磁場(chǎng)的強(qiáng)弱; 讓不同電量(q>0的電荷, 在垂直磁場(chǎng)的方向以不同的速度運(yùn)動(dòng), 該電荷 就會(huì)受力, 雖然電荷在各點(diǎn)受磁場(chǎng)力的大小不同, 但是力與電荷量以及速度 的比值在同一點(diǎn)卻是相同的, 唯一的, 這個(gè)值就反映了該點(diǎn)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱. 因 此:B F / q.v (1該式的物理意義為:磁場(chǎng)中某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B 的大小, 在數(shù)值上等于單位 正電荷, 以單位速度沿垂直磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)時(shí), 所受力的大小. 磁感應(yīng)強(qiáng)度的 單位

21、: 4. 磁通量磁場(chǎng)不僅有強(qiáng)弱還有方向, 用磁力線能很好的表示磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向, 磁力 線是一些圍繞電流的閉合線, 沒(méi)有起點(diǎn)也沒(méi)有終點(diǎn)的曲線. 把垂直穿過(guò)一個(gè) 曲面的磁感應(yīng)線的條數(shù)稱(chēng)為穿過(guò)該面的磁通量. 用表示. 也形象的將磁感 應(yīng)強(qiáng)度稱(chēng)為磁通密度, 兩者關(guān)系如下:B·S (2磁通的單位:1T·m2 = 1Wb(韋伯5. 磁場(chǎng)強(qiáng)度H既然點(diǎn)電荷之間的相互作用服從庫(kù)侖定律, 那么, 庫(kù)侖認(rèn)為點(diǎn)磁荷也應(yīng)有類(lèi) 似的定律. 此式為磁的庫(kù)侖定律;既然電場(chǎng)強(qiáng)弱可通過(guò)點(diǎn)電荷去測(cè)量, 那么磁場(chǎng)的強(qiáng)弱也就可用點(diǎn)磁荷來(lái)測(cè)量 , 類(lèi)似的, 把點(diǎn)磁荷放在磁場(chǎng)中, 根據(jù)其受力的大小就可反映該點(diǎn)磁場(chǎng)的強(qiáng)

22、 弱, 因此就引入了磁場(chǎng)強(qiáng)度的物理量HH F/qm0 (4該式中F 是試探點(diǎn)磁荷qm0在磁場(chǎng)某點(diǎn)所受的力, 該式的物理意義:磁場(chǎng)中某 點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H 的大小在數(shù)值上等于單位磁荷在該點(diǎn)所受到的磁場(chǎng)力的大小 .6. 安培環(huán)路定理磁感應(yīng)線是套連在閉合載流回路上的閉合線, 若取磁感應(yīng)強(qiáng)度沿磁感應(yīng)線的 環(huán)路積分, 則磁感應(yīng)強(qiáng)度沿任何閉合環(huán)路L 的線積分, 等于穿過(guò)這個(gè)環(huán)路所 有電流的代數(shù)和的0倍.(LB·dl =0I (5在有磁介質(zhì)時(shí), 安培環(huán)路定律表示為:LB ·dl =0(I +Is (6(6式中:Is-為磁化電流I -傳導(dǎo)電流介質(zhì)內(nèi)任何曲面S 的磁化電流強(qiáng)度 Is 為Is LM

23、 dl (7(7式中,M 為磁化強(qiáng)度, 在數(shù)值上等于磁化面電流密度代(7式入(6式得:LB·dl =0(I +LM dl或:L( -M·dl =I令:H -M則:LH·dl =I (8(8式表示:磁場(chǎng)強(qiáng)度沿任一閉合路徑的線積分只與傳導(dǎo)電流有關(guān). 也說(shuō)明傳導(dǎo)電流確定 以后, 不論磁場(chǎng)中放進(jìn)什么樣的磁介質(zhì), 也不論磁介質(zhì)放在何處, 磁場(chǎng)強(qiáng)度 的線積分都只與傳導(dǎo)電流有關(guān).因而, 引入磁場(chǎng)強(qiáng)度H 這個(gè)物理量后, 就可繞過(guò)磁介質(zhì)磁化, 磁化電流等不 方便測(cè)量、處理等一系列問(wèn)題, 而可方便的從宏觀上處理磁介質(zhì)的存在時(shí)的 磁場(chǎng)問(wèn)題.7. 磁感應(yīng)強(qiáng)度B 和磁場(chǎng)強(qiáng)度H 的關(guān)系磁感應(yīng)

24、強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度都是反映磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量.磁感應(yīng)強(qiáng)度是根據(jù)在磁場(chǎng)中垂直運(yùn)動(dòng)的電荷受力這個(gè)特點(diǎn)出發(fā), 通過(guò)運(yùn)動(dòng)電 荷在磁場(chǎng)中受力大小及方向反映磁場(chǎng)的強(qiáng)弱及方向的.磁場(chǎng)強(qiáng)度是根據(jù)兩個(gè)磁荷間總有作用力這個(gè)特點(diǎn)為出發(fā)點(diǎn), 通過(guò)在磁場(chǎng)中放 探試點(diǎn)磁荷, 根據(jù)點(diǎn)磁荷在該點(diǎn)受力大小和方向來(lái)反映磁場(chǎng)的強(qiáng)弱及方向的 .也就是說(shuō), 由于人們對(duì)磁的認(rèn)識(shí)的觀點(diǎn)不同而使對(duì)同一個(gè)物理現(xiàn)象用不同的 物理量來(lái)描述的. 在磁荷觀點(diǎn)中, 為描述磁場(chǎng)的強(qiáng)弱而引入了磁場(chǎng)強(qiáng)度H, 而磁感應(yīng)強(qiáng)度B 是作為輔助量引入的; 相反, 在分子電流觀點(diǎn)中, 為描述磁 場(chǎng)的強(qiáng)弱而引入了磁感應(yīng)強(qiáng)度B, 而磁場(chǎng)強(qiáng)度H 時(shí)作為輔助量引入的.引入磁感應(yīng)

25、強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度都只是表示磁場(chǎng)在某點(diǎn)的強(qiáng)弱及大小, 磁場(chǎng)是自 然存在的, 它在某點(diǎn)的大小和方向是客觀存在的, 不會(huì)因?yàn)楸硎镜姆椒ú煌?而有所改變.由磁場(chǎng)強(qiáng)度H 的定義式可知: 上式中:0-絕對(duì)磁導(dǎo)率r-相對(duì)磁導(dǎo)率-磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率8. 法拉第電磁感應(yīng)定律穿過(guò)單匝導(dǎo)線回路的磁通量變化時(shí), 會(huì)在導(dǎo)體回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì), 感應(yīng) 電動(dòng)勢(shì)的大小與穿過(guò)回路磁通量的變化率d/ dt 成正比.-K d/ dt (12若全采用國(guó)際單位制,K 1-d/ dt當(dāng)為N 匝導(dǎo)線組成的回路時(shí)-N d/ dt (13法拉第電磁感應(yīng)定律表明, 決定感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小的是磁通隨時(shí)間的變化率, 而不是磁通量本身的大小, 也就是說(shuō)保持恒

26、定大小的磁通量是不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng) 電動(dòng)勢(shì)的.9. 自感系數(shù)L對(duì)于密繞N 匝的線圈, 電流I 在各匝線圈中產(chǎn)生的磁通基本相同, 線圈產(chǎn)生的 自感電動(dòng)勢(shì)為: (14式說(shuō)明了自感電動(dòng)勢(shì)與自感磁鏈的關(guān)系, 而自感磁鏈與線圈中的電 流成正比:L I (15式中, 系數(shù)L 稱(chēng)為自感系數(shù),I 與均為由方向性的物理量, 在合適的符號(hào)規(guī) 定下, 可保證自感磁鏈與電流同時(shí)為正或同時(shí)為負(fù), 因而保證自感系數(shù)恒為 正.代(15入(14得: 由該式可知, 自感系數(shù)L 在數(shù)值上等于單位電流引起的自感磁鏈, 但是自感 系數(shù)就象電阻器的電阻一樣, 是該器件本身的一種屬性, 是自然存在的, 和 是否有電流流過(guò)以及電流大小都無(wú)關(guān),

27、它只決定于線圈本身的大小, 形狀以 及周?chē)橘|(zhì)等因素.10. 有效值, 平均值(以電流為例 11. 次級(jí)有效值, 平均值(以電流為例 二、開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)部分相關(guān)公式:1. 變比/匝數(shù)比:NN Np / Ns (20但是在設(shè)計(jì)變壓器之前并不知道初次級(jí)線匝匝數(shù), 匝數(shù)比的確定很大程度上 取決于開(kāi)關(guān)管的耐壓值, 由于輸入最高直流電壓, 變壓器的漏感和反射電壓 一起確定了開(kāi)關(guān)管在截止瞬間所要承受的最大的電壓值, 其中反射電壓是由 輸出電壓和變比確定的, 若開(kāi)關(guān)管所能承受的最大電壓為Vm, 那么: Vm = Uinmax + N(V0+Vd + Vpk + Vy (21式中:Uinmax-為最大直流輸入電

28、壓Vo- 輸出電壓Vd-輸出二極管管壓降Vp-漏感所產(chǎn)生的尖峰電壓Vy-安全電壓裕量其中, 漏感電壓可通過(guò)變壓器制作工藝和增加阻容吸收電路來(lái)抑制; 可見(jiàn), 改變?cè)褦?shù)比能控制開(kāi)關(guān)管的威脅, 對(duì)于220或380電網(wǎng)來(lái)說(shuō), 開(kāi)關(guān)管的耐 壓已不成問(wèn)題, 在設(shè)計(jì)中常常根據(jù)反射電壓直接確定匝數(shù)比;VoR = N(VO+VD (22220V 交流電壓時(shí),VoR 常取150V 左右380V 交流電壓時(shí),VoR 常取200V 左右可根據(jù)具體情況調(diào)整即可.2. 初級(jí)匝數(shù):Np根據(jù)電磁感應(yīng)定律 首先確定B, B 的選擇保證變壓器正常工作時(shí)不會(huì)飽和, 一般主要根據(jù)磁 性材料和開(kāi)關(guān)電源頻率決定, 磁材確定Bs, 開(kāi)關(guān)頻

29、率影響磁耗, 磁耗過(guò)大, 磁芯溫升越高, 一般磁芯從25到100,Bs 下降30%,因此開(kāi)關(guān)頻率越高 , B 占Bs 的比例越小, 以下是一個(gè)資料的建議:頻率f 最大工作磁通密度<50kHz 0.5Bs<100 kHz 0.4Bs<500kHz 0.25Bs<1M kHz 0.1Bs可見(jiàn), 此式是在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間時(shí)保證磁芯不飽和的情況下選擇初級(jí)匝數(shù), 即由B 去確定Np3. 初級(jí)電感量:Lp由自感系數(shù)的定義可知: 要計(jì)算電感必須知道初級(jí)電流Ip4. 初級(jí)峰值電流:Ip反激式開(kāi)關(guān)電流在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)變壓器就像是僅有一個(gè)初級(jí)線圈的電感器, 輸入的能量由初級(jí)線圈轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能存入

30、磁芯和氣隙中. 可見(jiàn), 在最低輸入電壓時(shí)保證輸出功率的情況下選擇最大Ip.5. 匝數(shù)N, 反射電壓Vor 和最大占空比Dm在功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間, 開(kāi)關(guān)變壓器的磁芯磁通隨初級(jí)繞組電流Ip 的增大 而增大;在功率磁開(kāi)關(guān)管截止期間, 磁通隨次級(jí)繞組電流減小而減小;設(shè)磁通的最小值為min,在磁化電流臨界狀態(tài)和不連續(xù)狀態(tài)下, 最小磁 通min對(duì)應(yīng)于剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度的磁通是一個(gè)確定值.假若在每個(gè)工作周期結(jié)束時(shí), 磁通沒(méi)有回到周期開(kāi)始時(shí)的出發(fā)點(diǎn), 則磁通 將隨周期地重復(fù)而逐漸增加, 工作點(diǎn)也將不斷上升, 使得電流增大, 磁芯飽 和, 當(dāng)磁芯飽和時(shí)如下曲線S 處: 此時(shí), 隨著H 的變化, 即i 的變化,d/d

31、t = 0, 也即,-Nd/ dt 0開(kāi)關(guān)管所承受的電壓為:Uin+-IxRp=Uin-Nd/ dt -IxRp Uin-0-IxRpUinUin 直接加于開(kāi)關(guān)管上, 開(kāi)關(guān)管會(huì)瞬間損壞. 為了不至于發(fā)生這種損壞功率 開(kāi)關(guān)管的現(xiàn)象, 每個(gè)周期結(jié)束時(shí)工作磁通必須回到原來(lái)的初始位置,-這 就是磁通的復(fù)位原則.U Nd/ dt, 故可得:d 1/N·U·dt對(duì)于反激式開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō), 在功率管處于導(dǎo)通期間:d 1/Np·Ui·Ton在功率管處于截止期間:d 1/Ns·Uo·Tr在功率管導(dǎo)通期間磁通量的增加量d導(dǎo)通應(yīng)該等于在功率管截止期間磁通 量的