變壓器的設(shè)計(jì)程序

1、變壓器的設(shè)計(jì)程序電力電子技術(shù)的基本概況變壓器的設(shè)計(jì)程序 器件的磁設(shè)計(jì)電力電子裝置中，一般采用自然散熱方式。變壓器的設(shè)計(jì)一般均采用單向設(shè)計(jì)法(必須知道磁芯的各種特性及數(shù)據(jù)) 。嘗試性設(shè)計(jì)方法和電感的設(shè)計(jì)類似(進(jìn)行多次嘗試才能找到合適的磁芯尺寸 )。 器件的磁設(shè)計(jì)原邊和副邊的導(dǎo)線型號(hào)一致，可以假設(shè) kCu=kCu.pri=kCu.sec變壓器發(fā)熱渦流設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮 器件的磁設(shè)計(jì)1.1 變壓器的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)：額定功率 變壓器的額定功率為：S=UpriIpri Upri :變壓器原邊額定電壓（有效值） Ipri :變壓器原邊額定電流（有效值） 上式說(shuō)明變壓器原邊電壓的設(shè)計(jì)與工作頻率、磁通密度、磁芯窗口

2、面積、以及所饒的匝數(shù)等有關(guān)。 器件的磁設(shè)計(jì)如果工作頻率較低，導(dǎo)線的趨膚效應(yīng)可以忽略；頻率較高時(shí)，如使用絞線，趨膚效應(yīng)可以忽略。 上式說(shuō)明原邊電流、電流密度以及導(dǎo)線的橫截面積之間的關(guān)系。 器件的磁設(shè)計(jì)綜合可得功率表達(dá)式： 器件的磁設(shè)計(jì)將 代入可得： 器件的磁設(shè)計(jì)如必須考慮渦流損耗，可從圖中查到交流電阻的值。因此下兩式 1020110100直流損耗總損耗最小值=1.5直流損耗0.1m=9m=8m=7m=6m=5m=4m=3m=2m=1m=101變?yōu)椋?器件的磁設(shè)計(jì)公式 S=2.22kCufAcoreAwJrmsBm 是變壓器設(shè)計(jì)的開(kāi)始，因Upri、 Ipri是根據(jù)變壓器的應(yīng)用要求而定，它與磁心的尺

3、寸、導(dǎo)線的橫截面積、磁通密度以及電流密度都有關(guān)。公式 S=2.22kCufAcoreAwJrmsBm 在變壓器設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要性和儲(chǔ)能公式 LImI=kCuJBmAwAcore 在電感設(shè)計(jì)中的重要性一樣。 器件的磁設(shè)計(jì)1.2 變壓器單向設(shè)計(jì)例程 總結(jié)加在變壓器上的各種條件計(jì)算功率等級(jí) S=UpriIpri選擇磁心材質(zhì),型號(hào)及尺寸求單位體積功率損耗密度 Psp計(jì)算最大功率等級(jí)Smax結(jié)束計(jì)算磁芯的磁通密度及Npri和Nsec 確定繞組導(dǎo)線尺寸Acu,pri和Acu,sec估算漏感調(diào)整最大功率等級(jí)Smax 器件的磁設(shè)計(jì)第一步：總結(jié)加在變壓器上的各種條件原邊的額定電壓Upri；原邊的額定電流Ipri

4、；變壓器的匝數(shù)比n=Npri/Nsec ；變壓器的工作頻率f；變壓器的最高溫度Ts及最高環(huán)境溫度Ta。 電路中變壓器的最高溫度取決于它周圍元件對(duì)溫度的敏感程度，以及變壓器本身的材質(zhì)，還有它工作的環(huán)境溫度。一般假設(shè)變壓器的最高溫度Ta=100 器件的磁設(shè)計(jì)第二步：計(jì)算功率等級(jí)S 應(yīng)用公式 S=UpriIpri 計(jì)算變壓器的功率等級(jí) 。式中，Upri為變壓器的原邊電壓有效值 Ipri為變壓器的原邊電流有效值第三步：選擇磁芯的材質(zhì)，型號(hào)及尺寸選擇變壓器磁芯的材質(zhì)和型號(hào)的方法和10.5.3節(jié)中的電感磁芯的選擇方法相同。 器件的磁設(shè)計(jì)0246824682100100051015202530P F頻率kH

5、zA:3C85 B:3F3 C:3C10 D:3B8E:3F4 F:N47ABCDEF使用鐵氧體磁芯時(shí)，它們的特性曲線如圖所示。 選擇變壓器的磁芯和第二步計(jì)算出的S值相關(guān)。選擇導(dǎo)線型號(hào)。 器件的磁設(shè)計(jì)第四步：計(jì)算Rqsa和Psp假設(shè)變壓器的功率損耗是均勻的，且銅損和鐵損相等，即 。Psp的值可以從磁芯的數(shù)據(jù)表中查到。變壓器的熱阻可通過(guò)10.4.4節(jié)中的公式計(jì)算，也可以查表10.4得到。熱阻會(huì)隨著環(huán)境溫度和變壓器的溫度而變化。根據(jù) 計(jì)算。 器件的磁設(shè)計(jì)第五步：確定磁通密度及原邊和副邊的匝數(shù) 磁芯的飽和磁通密度Bm可以從表10.4中查到；根據(jù)允許的最大功率損耗密度Psp，并結(jié)合圖中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算；

6、mTmWmm-3mWcm-33F3103102110磁功率損耗Pm1000C101001000102Gs40010025F(KHz)250C磁通密度最大值,Bas 器件的磁設(shè)計(jì)原邊的匝數(shù)Npri可通過(guò)lw9a求出。副邊的匝數(shù)Nsec通過(guò)匝數(shù)比n=Npri/Nsec得到。下式中的Bms第五步已經(jīng)得到。 應(yīng)用以下公式計(jì)算： 器件的磁設(shè)計(jì)磁芯序列 材質(zhì) 8a3F3 2.1cm4 9.8/W 237mW/cm3 170mTA/mm2 RspTs=100 JTs=100及Psp BmTs=100及100kHz AP=AcoreAw RqDT =60 2.22kCuf JBmAwAcore(f=100kH

7、z) U-A 磁芯序列8右上角的a表示表10.1中的特征尺寸且a=1cm。 變壓器設(shè)計(jì)過(guò)程中需要用到的有關(guān)磁芯的數(shù)據(jù)表 器件的磁設(shè)計(jì)第六步a: 確定原邊和副邊導(dǎo)線的尺寸：忽略渦流損耗 導(dǎo)線的型號(hào)，是圓形導(dǎo)線還是矩形導(dǎo)線，或是絞線，在第三步中已選好。因此銅線填充系數(shù)已知。在第五步中已經(jīng)求出原邊和副邊繞組的匝數(shù)，因而可以應(yīng)用以下公式分別求出原邊和副邊繞組導(dǎo)線的橫截面積ACu,pri和ACu,sec。和 器件的磁設(shè)計(jì)假設(shè)工作頻率低到可以忽略渦流損耗，并且使用絞線,電路密度Jrms通過(guò)表10.4中的公式估算或應(yīng)用以下公式計(jì)算:再應(yīng)用下式求出原邊和副邊繞組導(dǎo)線的橫截面積Acu,pri和Acu,sec:

8、器件的磁設(shè)計(jì)第六步b: 確定原邊和副邊導(dǎo)線的尺寸：考慮渦流損耗設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般在原邊和副邊繞組中使用了圓形導(dǎo)線和矩形導(dǎo)線時(shí)才考慮渦流損耗。為了減少渦流損耗，采用絞線，絞線中的單根導(dǎo)線的直徑比趨膚深度小很多。采用絞線，頻率很低時(shí)，渦流損耗很小，這種設(shè)計(jì)可取。在高頻時(shí)，效果并不理想。選擇圓形導(dǎo)線或矩形導(dǎo)線。因?yàn)閳A形導(dǎo)線的銅線填充系數(shù)kCu=0.55，矩形導(dǎo)線或銅箔的填充系數(shù)kCu=0.6。 器件的磁設(shè)計(jì)和原邊和副邊的匝數(shù)在第五步中已經(jīng)求出，導(dǎo)線的橫截面積也可以根據(jù)下式求出。將 代入到表10.4中電流密度J的計(jì)算公式就可以求出電流密度的值，再將電流密度J的值代入到下式中就可求出理想的導(dǎo)線橫截面積。

9、原邊優(yōu)化設(shè)計(jì) 器件的磁設(shè)計(jì)1020110100直流損耗總損耗最小值=1.5直流損耗0.1m=9m=8m=7m=6m=5m=4m=3m=2m=1m=101為了確定導(dǎo)線的理想尺寸，導(dǎo)線的橫截面積必須滿足圖中的正態(tài)分布曲線。 器件的磁設(shè)計(jì)曲線表明有很多的導(dǎo)線尺寸滿足的條件，只要變壓器繞組的層數(shù)不同(分段不一樣)，則有很多不同的導(dǎo)線尺寸會(huì)滿足要求。因此需要重復(fù)性的嘗試，最后在繞組的層數(shù)(段數(shù))和導(dǎo)線的尺寸之間找到一個(gè)最佳平衡。 器件的磁設(shè)計(jì)重復(fù)性的嘗試過(guò)程 假設(shè)每層的匝數(shù)只有一圈，且繞組僅僅分成兩段，原邊繞組匝數(shù)為Npri，副邊繞組匝數(shù)為Nsec。那么原邊導(dǎo)線的理想厚度h為:或 式中,Fl為銅層系數(shù)；

10、hw為Bobbin繞線槽的寬度。矩形導(dǎo)線或銅箔的Fl典型值為0.9。 器件的磁設(shè)計(jì)應(yīng)用式 計(jì)算正態(tài)分布參數(shù)值j。通過(guò)右圖確定原邊繞組的最佳層數(shù)Npri和j 。1020110100直流損耗總損耗最小值=1.5直流損耗0.1m=9m=8m=7m=6m=5m=4m=3m=2m=1m=101 器件的磁設(shè)計(jì)如果這個(gè)最佳值j和通過(guò)式 求出的結(jié)果相同或者大于10-20%，則原來(lái)的設(shè)計(jì)可接受； 如果這個(gè)最佳值明顯小于式 計(jì)算出的結(jié)果，那么原邊繞組必須重新分段，使每段的層數(shù)變得更加少。 器件的磁設(shè)計(jì)第二次嘗試，進(jìn)行三明治繞繞法，將原邊繞組分為兩段，將副邊繞組夾在中間。副邊繞組分成兩段，副邊繞組的一半對(duì)應(yīng)著原邊繞

11、組的一半，每一段的層數(shù)為原來(lái)的1/2。p2ps2mmf0 x 器件的磁設(shè)計(jì)1020110100直流損耗總損耗最小值=1.5直流損耗0.1m=9m=8m=7m=6m=5m=4m=3m=2m=1m=101通過(guò)右圖得到的最佳值j來(lái)校驗(yàn)由公式 計(jì)算而得的最佳值j。 器件的磁設(shè)計(jì)1020110100直流損耗總損耗最小值=1.5直流損耗0.1m=9m=8m=7m=6m=5m=4m=3m=2m=1m=101如果從圖中得到的最佳值顯著大于從計(jì)算的最佳值，則每一層須增加到兩匝或者更多的匝數(shù)。 器件的磁設(shè)計(jì)1020110100直流損耗總損耗最小值=1.5直流損耗0.1m=9m=8m=7m=6m=5m=4m=3m=

12、2m=1m=101如果每層繞兩圈，則每段層數(shù)變?yōu)樵瓉?lái)的1/2。重復(fù)性嘗試工作又開(kāi)始進(jìn)行。直到從圖中得到的最佳值等于或差不多等于從公式 計(jì)算而得的最佳值為止。 器件的磁設(shè)計(jì)根據(jù)變比n=Npri / Nsec，對(duì)第五步中得到的原邊和副邊的匝數(shù)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的數(shù)值須對(duì)原邊的設(shè)計(jì)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使原邊和副邊相匹配?？傇褦?shù)為整數(shù)，每一層的匝數(shù)也為整數(shù)，限制了繞組重組的可能性。存在渦流的情況下，使用單根的固體導(dǎo)線，應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可行，單根的導(dǎo)線具有更大的銅線填充系數(shù)。副邊優(yōu)化設(shè)計(jì) 器件的磁設(shè)計(jì)第七步：漏感的估算漏感的計(jì)算公式為：或者 器件的磁設(shè)計(jì)第八步：評(píng)估所選磁芯的最大功率等級(jí)Smax所選磁芯的最大

13、功率等級(jí)為: Smax =2.22kCufAcoreAwJBm 變壓器的功率等級(jí)S=UpriIpri應(yīng)比Smax?。蝗绻鸖Smax，則所選的磁芯尺寸太小。如果SSmax顯著，但仍小于所擁有的較大磁芯尺寸，可以再增加Smax，并對(duì)其進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。通過(guò)增加繞組的功率密度Pw,sp對(duì)Smax進(jìn)行調(diào)整，如果變壓器的溫度超過(guò)太多，則使用尺寸更大的磁芯進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。 器件的磁設(shè)計(jì)1.3 舉例說(shuō)明變壓器設(shè)計(jì)第一步：總結(jié)加在變壓器上的各種條件原邊正弦電流有效值: Ipri=4A 原邊正弦電壓有效值: Upri=300V 頻率: f=100KHz變比: Npri/Nsec=n=4 變壓器最高溫度: Ts=100

14、環(huán)境的最高溫度: Ta=40 器件的磁設(shè)計(jì)第二步：計(jì)算變壓器功率等級(jí)S S=UpriIpri=300V4A=1200VA第三步：選擇磁芯的材質(zhì)，型號(hào)及尺寸 0246824682100100051015202530P F頻率kHzA:3C85 B:3F3 C:3C10 D:3B8E:3F4 F:N47ABCDEF因頻率較高，所以采用鐵氧體磁芯，在圖中可以查到鐵氧體磁芯隨頻率變化曲線圖。 器件的磁設(shè)計(jì)當(dāng)頻率為100KHz時(shí)，3F3 材質(zhì)的鐵氧體磁芯的性能最為理想，磁芯的型號(hào)選用EE型。從磁芯數(shù)據(jù)表序列為8，特征尺寸a=1cm的磁芯的各種數(shù)據(jù)： 器件的磁設(shè)計(jì)如果 ，KCu0.32，上式中的結(jié)果同樣比

15、S=1200VA大。將KCu=0.21和 代入上式中，所得的值應(yīng)該比S=1200VA大； 器件的磁設(shè)計(jì)第四步：計(jì)算Rqsa和Psp第五步：確定磁芯磁通密度及原邊和副邊的匝數(shù) 從表10.4中可以查到最大磁通密度Bm=170mT 。將Bm=170mT 代入下式從表10.4中可以查到:Rqsa=9.8/W Psp=237mW/cm3 器件的磁設(shè)計(jì)Acore=1.5cm3， 可得到原邊繞組匝數(shù) ： 又， w=2p100kHz ,因?yàn)樵褦?shù)必須是整數(shù)，且必須能夠被4整除，所以原邊繞組取24圈。則副邊繞組的匝數(shù)為： 器件的磁設(shè)計(jì)第六步a: 確定原邊和副邊導(dǎo)線的尺寸：銅箔利用磁芯的數(shù)據(jù)表10.4，并假設(shè)銅箔的

16、KCu=0.6，可以求出允許的電流密度：原邊導(dǎo)線的橫截面積為：副邊導(dǎo)線的橫截面積為： 器件的磁設(shè)計(jì)假設(shè)矩形導(dǎo)線的銅層系數(shù)為Fl=0.9，并且一層只有一圈。銅導(dǎo)體在頻率為100KHz，溫度為100時(shí)的趨膚深度d=0.244mm,可得原邊導(dǎo)線的厚度h為: ACu,pri=1.15mm2=h0.920mm 或 h=0.064mm 厚度的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布值為: 器件的磁設(shè)計(jì)從圖中可以查到原邊繞組僅為一段，且層數(shù)為24層；那么一層只能繞一圈，由此得到的優(yōu)化厚度標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)值為 1020110100直流損耗總損耗最小值=1.5直流損耗0.1m=9m=8m=7m=6m=5m=4m=3m=2m=1m=101 器件的磁

17、設(shè)計(jì)副邊導(dǎo)線的厚度為： ACu,sec=4.6mm2=h0.920mm 或 h=0.256mm 副邊導(dǎo)線厚度的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)值為： 器件的磁設(shè)計(jì)從圖中可以查到副邊繞組每段必須分為兩層，這意味著副邊繞組必須包含三段，每段兩層，每層繞一圈。1020110100直流損耗總損耗最小值=1.5直流損耗0.1m=9m=8m=7m=6m=5m=4m=3m=2m=1m=101 器件的磁設(shè)計(jì)為了與副邊相匹配，原邊須分為四段。原邊中間的兩段，每一段包含八層；外面的兩段，每一段包含四層；一層只繞一圈。每段八層的導(dǎo)線優(yōu)化厚度的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)值為：P6mmfxP6P3P3S3S3S3 器件的磁設(shè)計(jì)將原邊繞組外面的兩段變?yōu)槊慷我粚樱?/p>

18、每層四圈；原邊繞組里面的兩段，變?yōu)槊慷蝺蓪?，每層四圈。則再次優(yōu)化后原邊繞組導(dǎo)線的厚度為： ACu,pri=1.15mm2=h0.95mm 或 h=0.256mm。標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)值為1.01。原邊里面的兩段已經(jīng)完全得到優(yōu)化原邊繞組外面兩段Rac/Rdc值將增加為大約1.7。 是所需要的值的兩倍，即每一層可以再增加一圈。 器件的磁設(shè)計(jì)變壓器繞組設(shè)計(jì)以及它相應(yīng)的的mmf圖如圖所示。原邊繞組分為四段，中間的兩段，每段有兩層；外面的兩段，每段只有一層；每層繞四圈。P6mmfxP6P3P3S3S3S3 器件的磁設(shè)計(jì)原邊繞組導(dǎo)線的厚度為0.26mm,寬度為5mm。副邊繞組分為三段，每段兩層，一層繞一圈；副邊繞組導(dǎo)線的寬度為20mm，厚度為0.26mm。P6mmfxP6P3P3S3S3S3 器件的磁設(shè)計(jì)第六步b: 確定原邊和副邊導(dǎo)線的尺寸：絞線根據(jù)磁芯的數(shù)據(jù)表，和絞線的填充系數(shù)KCu=0.3，可求出絞線的最大電流密度為： 原