第17課-半橋式變壓器的設(shè)計(jì)課件

半橋式電源電路框圖半橋式電源電路框圖1半橋式變換器概述在傳統(tǒng)的高頻變壓器設(shè)計(jì)中，由于磁心材料的限制，其工作頻率較低，一般在20kHz左右。隨著電源技術(shù)的不斷發(fā)展，電源系統(tǒng)的小型化，高頻化和高功率比已成為一個(gè)永恒的研究方向和發(fā)展趨勢(shì)。因此，研究使用頻率更高的電源變壓器是降低電源系統(tǒng)體積，提高電源輸出功率比的關(guān)鍵因素。這里根據(jù)超微晶合金的優(yōu)異電磁性能，設(shè)計(jì)30kHz超微晶高頻開關(guān)電源變壓器。半橋式變換器概述在傳統(tǒng)的高頻變壓器設(shè)計(jì)中2半橋式開關(guān)電源變換器變壓器設(shè)計(jì)的已知條件：1）工作頻率f：30kHz；2）變換器輸入電壓Ui：DC300V；3）變換器輸出電壓U0：DC2100V；4）變換器輸出電流Io：0.08A；5）整流電路：橋式整流；6）占空比Dmax：1％～90％；7）輸出效率η：≥80％；8）耐壓：DC12kV；9）溫升：＋50℃；10）工作環(huán)境條件：－55℃～＋85℃。半橋式開關(guān)電源變換器變壓器設(shè)計(jì)的已知條件：3磁心的選擇與工作點(diǎn)確定從變壓器的性能指標(biāo)要求可知，傳統(tǒng)的薄帶硅鋼、鐵氧體材料已很難滿足變壓器在頻率、使用環(huán)境方面的設(shè)計(jì)要求。磁心的材料只有從坡莫合金、鈷基非晶態(tài)合金和超微晶合金三種材料中來(lái)考慮，但坡莫合金、鈷基非晶態(tài)價(jià)格高，約為超微晶合金的數(shù)倍，而飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bsat卻為超微晶合金2/3左右，且加工工藝復(fù)雜。因此，綜合三種材料的性能比較，見下表，選擇飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bsst高，溫度穩(wěn)定性好，價(jià)格低廉，加工方便的超微晶合金有利于變壓器技術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。磁心的選擇與工作點(diǎn)確定從變壓器的性能指標(biāo)要4磁性材料性能表磁性材料性能表5磁性材料的性能磁心工作點(diǎn)的選擇往往從磁心的材料，變壓器的工作狀態(tài)，工作頻率，輸出功率，絕緣耐壓等因素來(lái)考慮。超微晶合金的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bsat較高約為1.2T，在雙極性開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)中，磁心的最大工作磁感應(yīng)強(qiáng)度Bmax一般可取到0.6～0.7T，經(jīng)特別處理的磁心，Bmax可達(dá)到0.9T。在本設(shè)計(jì)中，由于工作頻率、絕緣耐壓、使用環(huán)境的原因，把最大工作磁感應(yīng)強(qiáng)度Bmax定在0.6T，而磁心結(jié)構(gòu)則定為不切口的矩形磁心。這種結(jié)構(gòu)的磁心與環(huán)形磁心相比具有線圈繞制方便、分布參數(shù)影響小、磁心窗口利用率高、散熱性好、系統(tǒng)絕緣可靠、但電磁兼容性較差。磁性材料的性能磁心工作點(diǎn)的選擇往往從磁心的6變壓器主要參數(shù)的計(jì)算變壓器的計(jì)算功率

：半橋式變換器的輸出電路為橋式整流時(shí)，其開關(guān)電源變壓器的計(jì)算功率為：

Pt=Uo×Io(1＋1/η)(1)

將Uo=2100V，Io=0.08A，η=80％代入式（1），可得：Pt=378W。

變壓器主要參數(shù)的計(jì)算變壓器的計(jì)算功率

：7變壓器的設(shè)計(jì)輸出能力變壓器的設(shè)計(jì)輸出能力為：

Ap=1.16×(Pt×104/4×Bmax×f×KW×KJ)（2）

式中的：工作頻率f為：30kHz；工作磁感應(yīng)強(qiáng)度Bmax：取0.6T；磁心的窗口占空系數(shù)KW：取0.2；矩形磁心的電流密度（溫升為50℃）KJ：取468。經(jīng)計(jì)算，變壓器的設(shè)計(jì)輸出能力：AP=0.511cm4。變壓器的設(shè)計(jì)輸出能力變壓器的設(shè)計(jì)輸出能力為：

Ap=18變壓器的實(shí)際輸出能力變壓器的輸出能力即磁心的輸出能力：它取決于磁心面積的乘積（AP），其值等于磁心有效截面積（Ae）和它的窗口截面積（Ac）的乘積，即：AP=Ae×Ac(3)在變壓器的設(shè)計(jì)中，變壓器的輸出能力必須大于它的設(shè)計(jì)輸出能力。在設(shè)計(jì)中，我們選用的矩形磁心的尺寸為：10×10×39×13.4（即：a=10mm，b=10mm，c=13.4mm，h=39mm），實(shí)際AP達(dá)3.66cm4(其中磁心截面積的占空系數(shù)KC取0.7)，大于變壓器的設(shè)計(jì)輸出能力0.511cm4，因此，該磁心能夠滿足設(shè)計(jì)使用要求。變壓器的實(shí)際輸出能力變壓器的輸出能力即磁心的輸出能力：9變壓器繞組計(jì)算初級(jí)匝數(shù)：Dmax取50％，Ton=D/f=0.5/(30×103)=16.67μs,

忽略開關(guān)管壓降，Up1=Ui/2=150V。

N1=Up1×Ton×10-2/2×Bm×Ac=(150×16.67)×10-2/(2×0.6×1×1×0.7)=29.77（匝）

取N1=30匝

次級(jí)匝數(shù)：忽略整流管壓降，Up2=Uo=2100V。

N2=Up2×N1/Up1=(30×2100)/150=420（匝）變壓器繞組計(jì)算初級(jí)匝數(shù)：10變壓器線徑計(jì)算Ip1=Up2×Ip2/Up1=0.08×2100/150=1.12A

電流密度：J=Kj×Ap－0.1410-2=468×0.511－0.14

×10-2=5.14A/mm2

考慮到線包損耗與溫升，把電流密度定為4A/mm2

（1）初級(jí)繞組：

計(jì)算導(dǎo)線截面積為Sm1=Ip1/J=1.12/4=0.28mm2

初級(jí)繞組的線徑可選d=0.63mm,其截面積為0.312mm2的圓銅線。

(2)次級(jí)繞組：

計(jì)算導(dǎo)線截面積為Sm2=Ip2/J=0.08/4=0.02mm2。

次級(jí)繞組的線徑可選d=0.16mm的圓銅線，其截面積為0.02mm2。為了方便線圈繞制也可選用線徑較粗的導(dǎo)線。變壓器線徑計(jì)算Ip1=Up2×Ip2/Up1=0.08×211線圈繞制與絕緣為減小分布參數(shù)的影響，初級(jí)采用雙腿并繞連接的結(jié)構(gòu)，次級(jí)采用分段繞制，串聯(lián)相接的方式，降低繞組間的電壓差，提高變壓器的可靠性，繞制后的線圈厚度約為4.5mm。小于磁心窗口寬度13.4mm的一半。在變壓器的絕緣方面，線圈絕緣選用抗電強(qiáng)度高、介質(zhì)損耗低的復(fù)合纖維絕緣紙，提高初、次級(jí)之間的絕緣強(qiáng)度和抗電暈?zāi)芰?。變壓器絕緣則采用整體灌注的方法來(lái)保證變壓器的絕緣使用要求。線圈繞制與絕緣為減小分布參數(shù)的影響，初級(jí)采用雙腿并繞連接的12歸納小結(jié)該超微晶開關(guān)電源變壓器，環(huán)氧灌注絕緣后通過(guò)了產(chǎn)品的電性能檢測(cè)和機(jī)載條件的環(huán)境試驗(yàn)，已用于機(jī)載設(shè)備，變壓器的溫升<35℃，工作效率達(dá)到90％以上，且波形質(zhì)量?jī)?yōu)異，電性能參數(shù)穩(wěn)定。超微晶合金薄帶是新型的軟磁合金，電磁性