開關(guān)變壓器的伏秒容量與測(cè)量

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開關(guān)變壓器的伏秒容量與測(cè)量－－連載1開關(guān)變壓器的伏秒容量與測(cè)量（完整版）實(shí)用資料(可以直接使用，可編輯完整版實(shí)用資料，歡迎下載）伏秒容量表示：一個(gè)開關(guān)變壓器能夠承受多高的輸入電壓和多長時(shí)間的沖擊。在開關(guān)變壓器伏秒容量一定的條件下，輸入電壓越高，開關(guān)變壓器能夠承受沖擊的時(shí)間就越短，反之，輸入電壓越低，開關(guān)變壓器能夠承受沖擊的時(shí)間就越長；而在一定工作電壓的條件下，開關(guān)變壓器的伏秒容量越大，開關(guān)變壓器鐵芯中的磁通密度就越低，開關(guān)變壓器的鐵芯就不容易飽和。

通過對(duì)開關(guān)變壓器伏秒容量的測(cè)量，可以知道開關(guān)變壓器的鐵芯是否正好工作于最佳磁通密度的位置上；以及占空比，或者工作頻率，是否取得合理；同時(shí)還可以檢查開關(guān)變壓器鐵芯氣隙長度取得是否合適。正文：長期以來，人們?cè)谠O(shè)計(jì)或使用開關(guān)變壓器的時(shí)候，一般只關(guān)心開關(guān)變壓器的輸入、輸出電壓、電流的大小，以及電感量等參數(shù)，而很少關(guān)心開關(guān)變壓器的伏秒容量。其實(shí)，開關(guān)變壓器的伏秒容量也是一個(gè)非常重要的參數(shù)，不過，目前很多人并不十分清楚伏秒容量到底是個(gè)什么東西，或者怎樣對(duì)伏秒容量進(jìn)行測(cè)試，以及怎樣使用伏秒容量這個(gè)參數(shù)。因此，這里將詳細(xì)介紹什么是開關(guān)變壓器的伏秒容量，然后再分析怎樣對(duì)開關(guān)變壓器的伏秒容量進(jìn)行測(cè)量及應(yīng)用。一、什么是開關(guān)變壓器的伏秒容量圖1是反激式開關(guān)電源的工作原理圖，目前70%以上的開關(guān)電源都是采用反激式開關(guān)變壓器輸出電源。所謂反激式開關(guān)變壓器輸出電源，就是當(dāng)開關(guān)變壓器的初級(jí)線圈正好被直流脈沖電壓激勵(lì)時(shí)，開關(guān)變壓器的次級(jí)線圈沒有向負(fù)載提供能量輸出，僅在開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的激勵(lì)電壓消失之后，開關(guān)變壓器鐵芯中存儲(chǔ)的磁能量才通過次級(jí)線圈轉(zhuǎn)化成反電動(dòng)勢(shì)向負(fù)載提供功率輸出，這種開關(guān)電源稱為反激式開關(guān)電源。在圖1中，當(dāng)輸入電壓E加于開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1的兩端時(shí)，由于開關(guān)變壓器次級(jí)線圈產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)與流過二極管的電流方向正好相反，相當(dāng)于所有次級(jí)線圈均開路，此時(shí)開關(guān)變壓器相當(dāng)于一個(gè)電感L1。其等效電路如圖2-a)所示，圖2-b)是開關(guān)接通時(shí)，電感兩端的電壓和流過電感L1的電流。從圖2可以看出，流過開關(guān)變壓器的電流只有勵(lì)磁電流，即：開關(guān)變壓器鐵心中的磁通量全部都是由勵(lì)磁電流產(chǎn)生的。如果開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的電感量是恒定的，或開關(guān)變壓器鐵芯的導(dǎo)磁率永遠(yuǎn)保持不變；那么，當(dāng)控制開關(guān)接通以后，流過開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的勵(lì)磁電流就會(huì)隨時(shí)間增加而線性增加，開關(guān)變壓器鐵心中的磁通量也隨時(shí)間增加而線性增加。根據(jù)電磁感應(yīng)定理：式中e1為開關(guān)變壓器初級(jí)線圈產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，L1為開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的電感量，ф為開關(guān)變壓器鐵心中的磁通量，E為開關(guān)變壓器初級(jí)線圈兩端的輸入電壓。其中磁通量ф還可以表示為：ф＝K×S×B（2）上式中，k是一個(gè)與單位制相關(guān)的系數(shù)，S為開關(guān)變壓器鐵心的導(dǎo)磁面積，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，也稱磁通密度，即：單位面積的磁通量。把（2）式代入（1）式，并進(jìn)行積分：（4）式就是計(jì)算反激式開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1繞組匝數(shù)的公式。式中，N1為開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1繞組的最少匝數(shù)，S為開關(guān)變壓器鐵心的導(dǎo)磁面積，單位：平方厘米；Bm為開關(guān)變壓器鐵心的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位：高斯；Br為開關(guān)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；τ=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；E為工作電壓，單位為伏。式中的指數(shù)（k=108）是統(tǒng)一單位用的，選用不同單位制，指數(shù)的值也不一樣，這里選用CGS單位制，即：長度為厘米（cm），磁感應(yīng)強(qiáng)度為高斯（Gs），磁通單位為麥克斯韋（Mx）。（5）式中，E×τ就是開關(guān)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VT來表示。伏秒容量VT表示：一個(gè)開關(guān)變壓器能夠承受多高的輸入電壓和多長時(shí)間的沖擊。在開關(guān)變壓器伏秒容量一定的條件下，輸入電壓越高，開關(guān)變壓器能夠承受沖擊的時(shí)間就越短，反之，輸入電壓越低，開關(guān)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，開關(guān)變壓器的伏秒容量越大，開關(guān)變壓器的鐵芯中的磁通密度就越低，開關(guān)變壓器鐵芯就不容易飽和。當(dāng)開關(guān)變壓器的鐵芯面積固定以后，開關(guān)變壓器的伏秒容量主要就是由磁通增量⊿B（⊿B=Bm－Br）的大小以及開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的匝數(shù)N1來決定。另外，我們知道，磁感應(yīng)強(qiáng)度是由磁場強(qiáng)度來決定的，即磁通增量⊿B也是由磁場強(qiáng)度來決定的。如圖3所示。圖3中，虛線B為開關(guān)變壓器鐵芯的初始磁化曲線，所謂的初始磁化曲線就是開關(guān)變壓器鐵芯還沒有帶磁，第一次使用時(shí)的磁化曲線，一旦開關(guān)變壓器鐵芯帶上磁后，初始磁化曲線就不再存在了。因此，在開關(guān)變壓器中，開關(guān)變壓器鐵芯的磁化一般都不是按初始磁化曲線來進(jìn)行工作的，而是隨著磁場強(qiáng)度增加和減少，磁感應(yīng)強(qiáng)度將沿著磁化曲線ab和ba，或磁化曲線cd和dc，來回變化。當(dāng)磁場強(qiáng)度增加時(shí)，磁場強(qiáng)度對(duì)開關(guān)變壓器鐵芯進(jìn)行充磁；當(dāng)磁場強(qiáng)度減少時(shí)，磁場強(qiáng)度對(duì)開關(guān)變壓器鐵芯進(jìn)行退磁。磁場強(qiáng)度由0增加到H1，對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度由Br1沿著磁化曲線ab增加到Bm1；而當(dāng)磁場強(qiáng)度由H1下降到0時(shí)，對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度將由Bm1沿著磁化曲線ba下降到Br1。如果不考慮磁通的方向，磁通的變化量就是⊿B1，即磁通增量⊿B1=Bm1－Br1。如果磁場強(qiáng)度進(jìn)一步增大，由0增加到H2，則磁化曲線將沿著曲線cd和dc進(jìn)行，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的磁通增量⊿B2=Bm2－Br2。

由圖3中可以看出，對(duì)應(yīng)不同的磁場強(qiáng)度，即不同的勵(lì)磁電流，磁通變化量也是不一樣的，并且磁通變化量與磁場強(qiáng)度不是線性關(guān)系。圖4是磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度相互變化的函數(shù)曲線圖。圖4中，曲線B是磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變化的曲線；曲線為導(dǎo)磁率與磁場強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變化的曲線。其中：B=μH（6）由圖4中可以看出，導(dǎo)磁率最大的地方并不是磁感應(yīng)強(qiáng)度或磁場強(qiáng)度最小或最大的地方，而是位于磁感應(yīng)強(qiáng)度或磁場強(qiáng)度的某個(gè)中間值的地方。當(dāng)導(dǎo)磁率達(dá)到最大值之后，導(dǎo)磁率將隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度或磁場強(qiáng)度增大，而迅速下降；當(dāng)導(dǎo)磁率下降到將要接近0的時(shí)候，我們就認(rèn)為開關(guān)變壓器鐵芯已經(jīng)開始飽和。如圖中Bs和Hs。由于導(dǎo)磁率的變化范圍太大，且容易飽和，因此，一般開關(guān)電源使用的開關(guān)變壓器都要在開關(guān)變壓器鐵芯中間留氣隙。圖5-a)是中間留有氣隙開關(guān)變壓器鐵芯的原理圖，圖5-b)是中間留有氣隙的開關(guān)變壓器鐵芯的磁化曲線圖，及計(jì)算開關(guān)變壓器鐵芯最佳氣隙長度的原理圖。圖5-b)中，虛線是沒留有氣隙開關(guān)變壓器鐵芯的磁化曲線，實(shí)線是留有氣隙開關(guān)變壓器鐵芯的磁化曲線；曲線b是留有氣隙開關(guān)變壓器鐵芯的等效磁化曲線，其等效導(dǎo)磁率，即曲線的斜率為tgβ；μa是留有氣隙開關(guān)變壓器鐵芯的平均導(dǎo)磁率；μc是沒留有氣隙時(shí)開關(guān)變壓器鐵芯的導(dǎo)磁率。由圖5可以看出，開關(guān)變壓器鐵芯的氣隙長度留得越大，其平均導(dǎo)磁率就越小，而開關(guān)變壓器鐵芯就不容易飽和；但開關(guān)變壓器鐵芯的平均導(dǎo)磁率越小，開關(guān)變壓器初、次級(jí)線圈之間的漏感就越大。因此，開關(guān)變壓器鐵芯氣隙長度的設(shè)計(jì)是一個(gè)比較復(fù)雜的計(jì)算過程，并且還要根據(jù)開關(guān)電源的輸出功率以及電壓變化范圍（占空比變化范圍）綜合考慮。不過我們可以通過對(duì)開關(guān)變壓器伏秒容量的測(cè)量，同時(shí)檢查開關(guān)變壓器鐵芯氣隙長度留得是否合適。關(guān)于開關(guān)變壓器鐵芯氣隙長度的設(shè)計(jì)，準(zhǔn)備留待以后有機(jī)會(huì)再進(jìn)行詳細(xì)分析。順便說明，圖4中表示導(dǎo)磁率的的曲線也不是一成不變的，它受溫度的影響非常大。由于開關(guān)變壓器磁芯也是一種半導(dǎo)體材料（金屬氧化物），很多半導(dǎo)體器件就是用金屬氧化物來制造的，如熱敏電阻、場效應(yīng)管等。半導(dǎo)體材料的特性就是受溫度的影響很靈敏，當(dāng)溫度上升到一定范圍以后，開關(guān)變壓器磁芯的電阻率就會(huì)變小，并開始導(dǎo)電。因此，當(dāng)溫度升高到一定范圍以后，在開關(guān)變壓器磁芯內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生很大的渦流損耗，并使鐵芯有效導(dǎo)磁率急速下降。這個(gè)使開關(guān)變壓器磁芯有效導(dǎo)磁率急速下降的溫度點(diǎn)，我們把它稱為居里溫度點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，我們可以把開關(guān)變壓器磁芯有效導(dǎo)磁率下降到最大值的70%時(shí)的溫度，定義為居里溫度點(diǎn)。如圖6所示。圖6是日本TDK公司高導(dǎo)磁率材料H5C4系列磁芯初始導(dǎo)磁率隨溫度變化的曲線圖，其居里溫度大約為105℃由圖6可以看出，開關(guān)變壓器磁芯的使用環(huán)境溫度，對(duì)開關(guān)變壓器的性能影響是非常大的。但我們?cè)谑褂瞄_關(guān)變壓器的時(shí)候，就很少有人去考慮或檢測(cè)開關(guān)變壓器磁芯的居里溫度。目前，一般開關(guān)變壓器還都大量選用鐵氧體磁芯，這種鐵氧體磁芯的居里溫度一般都在120℃左右，因此，我們對(duì)開關(guān)變壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)工作溫度最好不要超過110開關(guān)電源功率變壓器的設(shè)計(jì)方法摘要:從開關(guān)電源功率變壓器的特性和要求引出設(shè)計(jì)步驟及計(jì)算公式。其設(shè)計(jì)方法參考原電子工業(yè)部“指導(dǎo)性技術(shù)文件SJ/Z2921”。1開關(guān)電源功率變壓器的特性功率變壓器是開關(guān)電源中非常重要的部件,它和普通電源變壓器一樣也是通過磁耦合來傳輸能量的。不過在這種功率變壓器中實(shí)現(xiàn)磁耦合的磁路不是普通變壓器中的硅鋼片,而是在高頻情況下工作的磁導(dǎo)率較高的鐵氧體磁心或鈹莫合金等磁性材料,其目的是為了獲得較大的勵(lì)磁電感、減小磁路中的功率損耗,使之能以最小的損耗和相位失真?zhèn)鬏斁哂袑掝l帶的脈沖能量。圖1(a為加在脈沖變壓器輸入端的矩形脈沖波,圖1(b為輸出端得到的輸出波形,可以看出脈沖變壓器帶來的波形失真主要有以下幾個(gè)方面:(a輸入波形(b輸出波形(1上升沿和下降沿變得傾斜,即存在上升時(shí)間和下降時(shí)間;(2上升過程的末了時(shí)刻,有上沖,甚至出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象;(3下降過程的末了時(shí)刻,有下沖,也可能出現(xiàn)振蕩波形;(4平頂部分是逐漸降落的。這些失真反映了實(shí)際脈沖變壓器和理想變壓器的差別,考慮到各種因素對(duì)波形的影響,可以得到如圖2所示的脈沖變壓器等效電路。圖中:Rsi——信號(hào)源Ui的內(nèi)阻Rp——一次繞組的電阻Rm——磁心損耗(對(duì)鐵氧體磁心,可以忽略T——理想變壓器Rso——二次繞組的電阻RL——負(fù)載電阻C1、C2——一次和二次繞組的等效分布電容Lin、Lis——一次和二次繞組的漏感Lm1——一次繞組電感,也叫勵(lì)磁電感n——理想變壓器的匝數(shù)比,n=N1/N2圖2脈沖變壓器的等效電路將圖2所示電路的二次回路折合到一次,做近似處理,合并某些參數(shù),可得圖3所示電路,漏感Li包括Lin和Lis,總分布電容C包括C1和C2;總電阻RS包括Rsi、RP和Rso;Lm1是勵(lì)磁電感,和前述的Lm1相同;RL′是RL等效到一次側(cè)的阻值,RL′=RL/n2,折合后的輸出電壓U′o=Uo/n。經(jīng)過這樣處理后,等效電路中只有5個(gè)元件,但在脈沖作用的各段時(shí)間內(nèi),每個(gè)元件并不都是同時(shí)起主要作用,我們知道任何一個(gè)脈沖波形可以分解成基波與許多諧波的疊加。脈沖的上升沿和下降沿包含著各種高頻分量,而脈沖的平頂部分包含著各種低頻分量。因此在上升、下降和平頂過程中,各元件(L、C等表現(xiàn)出來的阻抗也不一樣,因此我們把這一過程分成幾個(gè)階段來分析,分別找出各階段起主要作用的元件,而忽略次要的因素。例如,當(dāng)輸入信號(hào)為矩形脈沖時(shí),可以分3個(gè)階段來分析,即上升階段、平頂階段和下降階段。(1上升階段對(duì)于通常的正脈沖而言,上升階段即脈沖前沿,信號(hào)中包含豐富的高頻成分,當(dāng)高頻分量通過脈沖變壓器時(shí),在圖3所示的等效電路中,C的容抗1/ωCτLm1稰кωLm1很大,相比起來,可將Lm1的作用忽略,而在串聯(lián)的支路中,Li的作用即較為顯著。于是可以把圖3所示的等效電路簡化成圖4所示的等效電路。圖3圖2的等效電路圖4圖3的簡化電路在這個(gè)電路中,頻率越高,ωLi禫τ1/ωC越小,因而高頻信號(hào)大多降在Li上,輸出的高頻分量就減少了,可見輸入信號(hào)Usm前沿中所包含的高頻分量就不能完全傳輸?shù)捷敵龆?頻率越高的成分到達(dá)輸出端越小,結(jié)果在輸出端得到的波形前沿就和輸入波形不同,即產(chǎn)生了失真。要想減小這種波形失真,就要盡量減小分布電容C(應(yīng)減小變壓器一次繞組的匝數(shù)。但又要得到一定的繞組電感量,所以需要用高磁導(dǎo)率的磁心。在繞制上也可以采取一些措施來減小分布電容,例如用分段繞法;為了減小漏感L1,可采用一、二次繞組交疊繞法等。(2平頂階段脈沖的平頂包含著各種低頻分量。在低頻情況下,并聯(lián)在輸出端的3個(gè)元件中,電容C的容抗1/ωC很大,因此電容C可以忽略。同時(shí)在串聯(lián)支路中,Li的感抗ωLi很小,也可以略去。所以又可以把圖3電路簡化為圖5所示的低頻等效電路。信號(hào)源也可以等效成電動(dòng)勢(shì)為Usm的直流電源。這里可用下述公式表達(dá)U′o=(UsmRL′e-T/τ/(Rs∠RL‖τ=Lm1(Rs+RL′RsRL′可見U′o為一下降的指數(shù)波形,其下降速度決定于時(shí)間常數(shù)τ,τ越大,下降越慢,即波形失真越小。為此,應(yīng)盡量加大Lm1,而減小Rs和RL′,但這是有限的。如果Lm1太大,必然使繞組的匝數(shù)很多,這將導(dǎo)致繞組分布電容加大,致使脈沖上升沿變壞。圖5圖3的低頻等效電路圖6脈沖下降階段的等效電路(3下降階段下降階段的信號(hào)源相當(dāng)于直流電源Usm串聯(lián)的開關(guān)S由閉合到斷開的階段,它與上升階段雖然是相對(duì)的過程,但有兩個(gè)不同;一是電感Lm1中有勵(lì)磁電流,并開始釋放,因此Lm1不能略去;二是開關(guān)S斷開后,Rs便不起作用,由此得出下降階段的等效電路,見圖6。一般來說,在脈沖變壓器平頂階段以后,Lm1中存儲(chǔ)了比較大的磁能,因此在開關(guān)斷開后,會(huì)出現(xiàn)劇烈的振蕩,并產(chǎn)生很大的下沖。為了消除下沖往往采用阻尼措施。2功率變壓器的參數(shù)及公式2.1變壓器的基本參數(shù)在磁路中,磁通集中的程度,稱為磁通密度或磁感應(yīng)強(qiáng)度,用B表示,單位是特斯拉(T,通常仍用高斯(GS單位,1T=104GS。另一方面,產(chǎn)生磁通的磁力稱為磁場強(qiáng)度,用符號(hào)H表示,單位是A/mH=0.4πNI/li式中:N——繞組匝數(shù)I——電流強(qiáng)度li——磁路長度磁性材料的磁滯回線表示磁性材料被完全磁化和完全去磁化這一過程的磁特性變化。圖7為一典型的磁化曲線。由坐標(biāo)0點(diǎn)到a點(diǎn)這段曲線稱起始磁化曲線。曲線中的一些關(guān)鍵點(diǎn)是十分重要的,BS:飽和磁通密度,Br:剩磁,HC:矯頑磁力。當(dāng)Br越接近于BS值時(shí),磁滯曲線的形狀越接近于矩形,見圖8(a,同時(shí)矯頑磁力HC越大時(shí),磁滯曲線越寬,這表明這種磁性材料的磁化特性越硬,表明這種材料為硬磁性材料。當(dāng)Br和BS相差越大,矯頑磁力HC越小時(shí),即磁滯曲線越瘦,表明這種材料為軟磁性材料,脈沖變壓器的磁心材料應(yīng)選用軟磁性材料,見圖8(b。圖7不帶氣隙的磁滯回線圖8硬/軟磁性材料和磁滯回線(a硬磁材料(b軟磁材料如果在磁心中開一個(gè)氣隙,將建立起一個(gè)有氣隙的磁路,它會(huì)改變磁路的有效長度。因?yàn)榭諝庀兜拇艑?dǎo)率為1,所以有效磁路長度le為le=li+μilg式中:li——磁性材料中的磁路長度lg——空氣隙的磁路長度μi——磁性材料的磁導(dǎo)率對(duì)一個(gè)給定安匝數(shù),有空氣隙磁心的磁通密度要比沒有空氣隙的磁通密度小。2.2設(shè)計(jì)變壓器的基本公式為了確保變壓器在磁化曲線的線性區(qū)工作,可用下式計(jì)算最大磁通密度(單位:TBm=(Up×104/KfNpSc式中:Up——變壓器一次繞組上所加電壓(Vf——脈沖變壓器工作頻率(HzNp——變壓器一次繞組匝數(shù)(匝Sc——磁心有效截面積(cm2K——系數(shù),對(duì)正弦波為4.44,對(duì)矩形波為4.0一般情況下,開關(guān)電源變壓器的Bm值應(yīng)選在比飽和磁通密度Bs低一些。變壓器輸出功率可由下式計(jì)算(單位:WPo=1.16BmfjScSo×10-5式中:j——導(dǎo)線電流密度(A/mm2Sc——磁心的有效截面積(cm2So——磁心的窗口面積(cm23對(duì)功率變壓器的要求(1漏感要小圖9是雙極性電路(半橋、全橋及推挽等典型的電壓、電流波形,變壓器漏感儲(chǔ)能引起的電壓尖峰是功率開關(guān)管損壞的原因之一。圖9雙極性功率變換器波形功率開關(guān)管關(guān)斷時(shí)電壓尖峰的大小和集電極電路配置、電路關(guān)斷條件以及漏感大小等因素有關(guān),僅就變壓器而言,減小漏感是十分重要的。(2避免瞬態(tài)飽和一般工頻電源變壓器的工作磁通密度設(shè)計(jì)在B-H曲線接近拐點(diǎn)處,因而在通電瞬間由于變壓器磁心的嚴(yán)重飽和而產(chǎn)生極大的浪涌電流。它衰減得很快,持續(xù)時(shí)間一般只有幾個(gè)周期。對(duì)于脈沖變壓器而言如果工作磁通密度選擇較大,在通電瞬間就會(huì)發(fā)生磁飽和。由于脈沖變壓器和功率開關(guān)管直接相連并加有較高的電壓,脈沖變壓器的飽和,即使是很短的幾個(gè)周期,也會(huì)導(dǎo)致功率開關(guān)管的損壞,這是不允許的。所以一般在控制電路中都有軟啟動(dòng)電路來解決這個(gè)問題。(3要考慮溫度影響開關(guān)電源的工作頻率較高,要求磁心材料在工作頻率下的功率損耗應(yīng)盡可能小,隨著工作溫度的升高,飽和磁通密度的降低應(yīng)盡量小。在設(shè)計(jì)和選用磁心材料時(shí),除了關(guān)心其飽和磁通密度、損耗等常規(guī)參數(shù)外,還要特別注意它的溫度特性。一般應(yīng)按實(shí)際的工作溫度來選擇磁通密度的大小,一般鐵氧體磁心的Bm值易受溫度影響,按開關(guān)電源工作環(huán)境溫度為40℃考慮,磁心溫度可達(dá)60~80℃,一般選擇Bm=0.2~0.4T,即2000~4000GS。(4合理進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從結(jié)構(gòu)上看,有下列幾個(gè)因素應(yīng)當(dāng)給予考慮:漏磁要小,減小繞組的漏感;便于繞制,引出線及變壓器安裝要方便,以利于生產(chǎn)和維護(hù);便于散熱。4磁心材料的選擇軟磁鐵氧體,由于具有價(jià)格低、適應(yīng)性能和高頻性能好等特點(diǎn),而被廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源中。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Fe2O3,MnCO3,ZnO,它主要應(yīng)用在1MHz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Fe2O3,NiO,ZnO等,主要用于1MHz以上的各種調(diào)感繞組、抗干擾磁珠、共用天線匹配器等。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高導(dǎo)磁率磁心,其材料牌號(hào)多為R4K~R10K,即相對(duì)磁導(dǎo)率為4000~10000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Bs為0.5T(即5000GS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(duì)于變壓器和繞制結(jié)果有一定影響。從理論上講,Bs高,變壓器的繞組匝數(shù)可以減小,銅損也隨之減小。（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(shí)會(huì)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(shí)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(jì)變壓器時(shí)，Bm選擇過低，繞組匝數(shù)過多，就會(huì)導(dǎo)致繞組發(fā)熱，并同時(shí)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(huì)導(dǎo)致繞組發(fā)熱。選擇鐵氧體材料時(shí)，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?yàn)椋偃绱判膿p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(jìn)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)外在研制功率鐵氧體時(shí)，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(gè)顯著特點(diǎn)，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(duì)磁導(dǎo)率究竟選取多少合適呢？這要根據(jù)實(shí)際線路的開關(guān)頻率來決定，一般相對(duì)磁導(dǎo)率為2000的材料，其適用頻率在300kHz以下，有時(shí)也可以高些，但最高不能高于500kHz。對(duì)于高于這一頻段的材料，應(yīng)選擇磁導(dǎo)率偏低一點(diǎn)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(shí)際工作溫度不應(yīng)高于80℃，這是因?yàn)樵?00℃以上時(shí)，其飽和磁通密度Bs已跌至常溫時(shí)的70％。因此過高的工作溫度會(huì)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(shí)，其功耗已經(jīng)呈正溫度系數(shù)，會(huì)導(dǎo)致惡性循環(huán)。對(duì)于R2KB2材料，其允許功耗對(duì)應(yīng)的溫度已經(jīng)達(dá)到110℃，居里溫度高達(dá)240℃，滿足高溫使用要求。5開關(guān)電源功率變壓器的設(shè)計(jì)方法5.1雙極性開關(guān)電源變壓器的計(jì)算設(shè)計(jì)前應(yīng)確定下列基本條件：電路形式,開關(guān)工作頻率,變壓器輸入電壓幅值,開關(guān)功率管最大導(dǎo)通時(shí)間,變壓器輸出電壓電流,輸出側(cè)整流電路形式，對(duì)漏感及分布電容的要求，工作環(huán)境條件等。（1）確定磁心尺寸1）求變壓器計(jì)算功率PtPt的大小取決于變壓器輸出功率及輸出側(cè)整流電路形式：全橋電路，橋式整流：Pt=(1＋1/nPo半橋電路，雙半波整流：Pt=(1/n＋Po推挽電路，雙半波整流：Pt=(/n＋Po式中：Po=UoIo，直流輸出功率。Pt可在（2～2.8）Po范圍內(nèi)變化，Po及Pt均以瓦（P）為單位。n=N1/N2,變壓匝數(shù)比。2）確定磁通密度BmBm與磁心的材料、結(jié)構(gòu)形式及工作頻率等因素有關(guān)，又要考慮溫升及磁心不飽和等要求。對(duì)于鐵氧體磁心多采用0.3T（特斯拉）左右。3）計(jì)算磁心面積乘積SpSp等于磁心截面積Sc（cm2）及窗口截面積So（cm2）的乘積，即Sp=ScSo=[(Pt×104/4BmfKwKj]1.16(cm4式中：Kw——窗口占空系數(shù)，與導(dǎo)線粗細(xì)、繞制工藝及漏感和分布電容的要求等有關(guān)。一般低壓電源變壓器取Kw=0.2～0.4。Kj——電流密度系數(shù)，與鐵心形式、溫升要求等有關(guān)。對(duì)于常用的E型磁心，當(dāng)溫升要求為25℃時(shí)，Kj=366；要求50℃時(shí)，Kj=534。環(huán)型磁心，當(dāng)溫升要求為25℃時(shí)，Kj=250;要求50℃時(shí)，Kj=365。由Sp值選擇適用于或接近于Sp的磁性材料、結(jié)構(gòu)形式和磁心規(guī)格。（2）計(jì)算繞組匝數(shù)1）1）一次繞組匝數(shù)：N1=(Up1ton×10－2/2BmSc(匝式中：Up1——一次繞組輸入電壓幅值（V）ton——一次繞組輸入電壓脈沖寬度（μs）2）2）二次繞組匝數(shù)：N2=(Up2N1）/Up1（匝）Ni=(UpiN1/Up1(匝式中：Up2…Upi——二次繞組輸出電壓幅值（V）（3）選擇繞組導(dǎo)線導(dǎo)線截面積Smi=Ii/j(mm2式中：Ii——各繞組電流有效值（A）j——電流密度j=KjSp－0.14×10－2(A/mm2（4）損耗計(jì)算1）繞組銅損Pmi=Ii2Rai(P式中：Rai——各繞組交流電阻（?），Ra=KrRd，Rd——導(dǎo)線直流電阻，Kr——趨表系數(shù),Kr=(D/22/(D－△·△,D——圓導(dǎo)線直徑（mm），△——穿透深度（mm），圓銅導(dǎo)線△=66.1/f0.5（f：電流頻率，Hz）變壓器為多繞組時(shí)，總銅損為Pm=PIi2Rai(P2）磁心損耗Pc=PcoGc式中：Pco——在工作頻率及工作磁通密度情況下單位質(zhì)量的磁心損耗（P/kg）Gc——磁心質(zhì)量（kg）3）變壓器總損耗Pz=Pm＋Pc（P）（5）溫升計(jì)算變壓器由于損耗轉(zhuǎn)變成熱量，使變壓器溫度上升，其溫升數(shù)值與變壓器表面積ST有關(guān)ST=式中：Sp——磁心面積乘積（cm4）KS——表面積系數(shù)，E型磁心KS=41.3，環(huán)型磁心KS=50.95.2單極性開關(guān)電源變壓器的計(jì)算設(shè)計(jì)前應(yīng)確定下列基本條件：電路形式，工作頻率，變換器輸入最高和最低電壓，輸出電壓電流，開關(guān)管最大導(dǎo)通時(shí)間，對(duì)漏感及分布電容的要求，工作環(huán)境條件等。（1）單端反激式計(jì)算1）變壓器輸入輸出電壓一次繞組輸入電壓幅值UP1=Ui－△U1式中：Ui——變換器輸入直流電壓（V）△U1——開關(guān)管及線路壓降（V）二次繞組輸出電壓幅值UP2=U02＋△U2UPi=U0i＋△Ui式中：U02…U0i——直流輸出電壓（V）△U2…△Ui——整流管及線路壓降（V）2）一次繞組電感臨界值(H式中：n——變壓器匝數(shù)比n=tonUp1/toffUp2ton——額定輸入電壓時(shí)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間（μs）toff——開關(guān)管截止時(shí)間（μs）T——開關(guān)電源工作周期（μs），T=1/f，f：工作頻率（Hz）Po——變壓器輸出直流功率（P）通常要求一次繞組實(shí)際電感Lp1≥Lmin3確定工作磁通密度單端反激式變壓器工作在單向脈沖狀態(tài)，一般取飽和磁通密度值（Bs）的一半，即脈沖磁通密度增量△Bm=BS/2(T4）計(jì)算磁心面積乘積Sp=392Lp1Ip1D12/△Bm(cm4式中：Ip1——一次繞組峰值電流Ip1=2Po/Up1minDmax(A式中：Up1min——變壓器輸入最低電壓幅值（V）Dmax——最大占空比，Dmax=tonmax/TD1——一次繞組導(dǎo)線直徑（mm），由一次繞組電流有效值I1確定，單向脈沖時(shí)I1=Ip1（ton/T）0.55）空氣隙長度lg=0.4πLp1Ip12/△Bm2SC(cm6）繞組匝數(shù)計(jì)算一次繞組，有氣隙時(shí)N1=△Bmlg×104/0.4πIp1(匝無氣隙時(shí)(匝式中：LC——磁心磁路長度（cm）μe——磁心有效磁導(dǎo)率，由工作的磁通密度和直流磁場強(qiáng)度及磁性材料決定，查閱磁心規(guī)格得出。二次繞組N2=[Up2(1－Dmax/Up1minDmax]N1Ni=[Upi(1－Dmax/UpiminDmax]N1（2）單端正激式計(jì)算單端正激式電路工作的特點(diǎn)是一、二次繞組同時(shí)工作，另加去磁繞組，因此計(jì)算方法與雙極性電路類似。1）二次繞組峰值電流等于直流輸出電流，即IP2=I022）二次繞組電壓幅值開關(guān)電源功率變壓器的設(shè)計(jì)方法Up2=(Uo2＋△U2/D(V式中：Uo2——輸出直流電壓（V）△U2——整流管及線路壓降（V）D——額定工作狀態(tài)時(shí)的占空比D=ton/T3）變壓器輸出功率P2=P(DUp2Ip2(P式中：Up2——變壓器輸出電壓幅值（V）Ip2——二次繞組峰值電流（A）4）確定磁心體積Ve=(12.5βP2×103/f(cm3Αいβ——計(jì)算系數(shù)，工作頻率f=30～50kHz時(shí)，β=0.3由Ve值選擇接近尺寸的磁心。5）一次繞組匝數(shù)N1=(Up1ton×10－2/f(匝式中：Up1——變壓器輸入額定電壓幅值（V）6）二次繞組匝數(shù)N2=(Up2/Up1N1Ni=UpiN1/Up17）去磁繞組匝數(shù)NH=N18）繞組電流有效值二次側(cè)：I2=Ip2一次側(cè)：I1=Up2I2/Up1去磁：IH=(5～10％I1上述僅是常規(guī)計(jì)算方法，由于所選用材料及工藝的不同，有些數(shù)據(jù)應(yīng)做相應(yīng)的調(diào)整。在分析開關(guān)變壓器的工作原理的時(shí)候，必然會(huì)涉及磁場強(qiáng)度H和磁感應(yīng)強(qiáng)度B以及磁通量等概念，為此，這里我們首先簡單介紹它們的定義和概念。在自然界中無處不存在電場和磁場，在帶電物體的周圍必然會(huì)存在電場，在電場的作用下，周圍的物體都會(huì)感應(yīng)帶電；同樣在帶磁物體的周圍必然會(huì)存在磁場，在磁場的作用下，周圍的物體也都會(huì)被感應(yīng)產(chǎn)生磁通?，F(xiàn)代磁學(xué)研究表明：一切磁現(xiàn)象都起源于電流。磁性材料或磁感應(yīng)也不例外，鐵磁現(xiàn)象的起源是由于材料內(nèi)部原子核外電子運(yùn)動(dòng)形成的微電流，亦稱分子電流，這些微電流的集合效應(yīng)使得材料對(duì)外呈現(xiàn)各種各樣的宏觀磁特性。因?yàn)槊恳粋€(gè)微電流都產(chǎn)生磁效應(yīng)，所以把一個(gè)單位微電流稱為一個(gè)磁偶極子。因此，磁場強(qiáng)度的大小與磁偶極子的分布有關(guān)。在宏觀條件下，磁場強(qiáng)度可以定義為空間某處磁場的大小。我們知道，電場強(qiáng)度的概念是用單位電荷在電場中所產(chǎn)生的作用力來定義的，而在磁場中就很難找到一個(gè)類似于“單位電荷”或“單位磁場”的帶磁物質(zhì)來定義磁場強(qiáng)度，為此，電場強(qiáng)度的定義只好借用流過單位長度導(dǎo)體電流的概念來定義磁場強(qiáng)度，但這個(gè)概念本應(yīng)該是用來定義電磁感應(yīng)強(qiáng)度的，因?yàn)殡姶艌鍪强梢曰ハ喈a(chǎn)生感應(yīng)的。幸好，電磁感應(yīng)強(qiáng)度不但與流過單位長度導(dǎo)體的電流大小相關(guān)，而且還與介質(zhì)的屬性有關(guān)。所以，電磁感應(yīng)強(qiáng)度可以在磁場強(qiáng)度的基礎(chǔ)上再乘以一個(gè)代表介質(zhì)屬性的系數(shù)來表示。這個(gè)代表介質(zhì)屬性的系數(shù)人們把它稱為導(dǎo)磁率。在電磁場理論中，磁場強(qiáng)度H的定義為：在真空中垂直于磁場方向的通電直導(dǎo)線，受到的磁場的作用力F跟電流I和導(dǎo)線長度的乘積I的比值，稱為通電直導(dǎo)線所在處的磁場強(qiáng)度?；颍涸谡婵罩写怪庇诖艌龇较虻?米長的導(dǎo)線，通過1安培的電流，受到磁場的作用力為1牛頓時(shí)，通過導(dǎo)線所在處的磁場強(qiáng)度就是1奧斯特(Oersted)。電磁感應(yīng)強(qiáng)度一般也稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度。由于在真空中磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度在數(shù)值上完全相等，因此，磁感應(yīng)強(qiáng)度在真空中的定義與磁場強(qiáng)度在真空中的定義是完全相同的。所不同的是磁場強(qiáng)度H與介質(zhì)的屬性無關(guān)，而磁感應(yīng)強(qiáng)度B卻與介質(zhì)的屬性有關(guān)。但很多書上都用上面定義磁場強(qiáng)度的方法來定義電磁感應(yīng)強(qiáng)度，這是很不合理的；因?yàn)?，電磁感?yīng)強(qiáng)度與介質(zhì)的屬性有關(guān)，那么，比如在固體介質(zhì)中，人們就很難用通電直導(dǎo)線的方法來測(cè)量通電直導(dǎo)線在磁場中所受的力，既然不能測(cè)量，就不應(yīng)該假設(shè)它所受的力與介質(zhì)的屬性有關(guān)。其實(shí)介質(zhì)的導(dǎo)磁率也不是通過作用力來測(cè)量的，而是通過電磁感應(yīng)的方法來測(cè)量的。

電磁感應(yīng)強(qiáng)度一般簡稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度。磁場強(qiáng)度H和磁感應(yīng)強(qiáng)度B由下面公式表示：

（2-1）式中磁場強(qiáng)度H的單位為奧斯特（Oe），力F的單位為牛頓（N），電流I的單位為安培（A），導(dǎo)線長度的單位為米（m）。（2-2）式中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的單位為特斯拉（T），為導(dǎo)磁率，單位為亨/米（H/m），在真空中的導(dǎo)磁率記為，=1。由于特斯拉的單位太大，人們經(jīng)常使用高斯（Gs）作為磁感應(yīng)強(qiáng)度B的單位。1特斯拉等于10000高（1T=104Gs）。由于磁現(xiàn)象可以形象地用磁力線來表示，故磁感應(yīng)強(qiáng)度B又可定義為磁力線通量的密度，即：單位面積內(nèi)的磁力線通量。磁力線通量密度可簡稱為磁通密度，因此，電磁感應(yīng)強(qiáng)度又可以表示為：

（2-3）式中，磁通密度B的單位為特斯拉（T），磁通量的單位為韋伯（Wb），面積的單位為平方米（m2）。如果磁通密度B用高斯（Gs）為單位，則磁通量的單位為麥克斯韋（Mx），面積的單位為平方厘米（cm2）。其中，1特斯拉等于10000高斯（1T=104Gs），1韋伯等于10000麥克斯韋（1Wb=104Mx）。電磁感應(yīng)強(qiáng)度除了可以稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁通密度外，很多人還把它稱為磁感密度。至此，已經(jīng)說明，電磁感應(yīng)強(qiáng)度B、磁感應(yīng)強(qiáng)度B、磁通密度B、磁感應(yīng)密度B等，在概念上是完全可以通用的。順便說明，在其它書上有人把磁感應(yīng)強(qiáng)度B的定義為：B=(H+M)，其中H和M分別是磁化強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度，而是真空導(dǎo)磁率。為了簡單，我們不準(zhǔn)備引入太多的其它概念，如有特別需要，可通過（2-2）式的定義來與其它概念進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這里還需要強(qiáng)調(diào)指出，用來代表介質(zhì)屬性的導(dǎo)磁率并不是一個(gè)常數(shù)，而是一個(gè)非線性函數(shù)，它不但與介質(zhì)以及磁場強(qiáng)度有關(guān)，而且與溫度還有關(guān)。因此，導(dǎo)磁率所定義的并不是一個(gè)簡單的系數(shù)，而是人們正在利用它來掩蓋住人類至今還沒有完全揭示的，磁場強(qiáng)度與電磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的內(nèi)在關(guān)系。不過為了簡單，當(dāng)我們對(duì)磁場強(qiáng)度與電磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行分析的時(shí)候，還是可以把導(dǎo)磁率當(dāng)成一個(gè)常數(shù)來看待，或者取它的平均值或有效值來進(jìn)行計(jì)算。開關(guān)變壓器一般都是工作于開關(guān)狀態(tài)；當(dāng)輸入電壓為直流脈沖電壓時(shí)，稱為單極性脈沖輸入，如單激式變壓器開關(guān)電源；當(dāng)輸入電壓為交流脈沖電壓時(shí)，稱為雙極性脈沖輸入，如雙激式變壓器開關(guān)電源；因此，開關(guān)變壓器也可以稱為脈沖變壓器，因?yàn)槠漭斎腚妷菏且恍蛄忻}沖；不過要真正較量起來的時(shí)候，開關(guān)變壓器與脈沖變壓器在工作原理上還是有區(qū)別的，因?yàn)殚_關(guān)變壓器還分正、反激輸出，這一點(diǎn)后面還將詳細(xì)說明。設(shè)開關(guān)變壓器鐵芯的截面為S，當(dāng)幅度為U、寬度為τ的矩形脈沖電壓施加到開關(guān)變壓器的初級(jí)線圈上時(shí)，在開關(guān)變壓器的初級(jí)線圈中就有勵(lì)磁電流流過；同時(shí)，在開關(guān)變壓器的鐵芯中就會(huì)產(chǎn)生磁場，變壓器的鐵芯就會(huì)被磁化，在磁場強(qiáng)度為H的磁場作用下又會(huì)產(chǎn)生磁通密度為B的磁力線通量，簡稱磁通，用“”表示；磁通密度B或磁通受磁場強(qiáng)度H的作用而發(fā)生變化的過程，稱為磁化過程。所謂的勵(lì)磁電流，就是讓變壓器鐵芯充磁和消磁的電流。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定理，電感線圈中的磁場或磁通密度發(fā)生變化時(shí)，將在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：

式中，N為開關(guān)變壓器的初級(jí)線圈的匝數(shù)；為變壓器鐵芯的磁通量；B為變壓器鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度或磁通密度平均值。這里引進(jìn)磁通密度平均值的概念，是因?yàn)樽儔浩麒F芯中的磁通并不是均勻分布，磁通密度與鐵芯或鐵芯截面上的磁通實(shí)際分布有關(guān)。因此，在分析諸如變壓器的某些宏觀特性的時(shí)候，有時(shí)需要使用平均值的概念，以便處理問題簡單。從（2-4）式可知，磁通密度的變化以等速變化進(jìn)行，即：

假定磁通密度的初始值為B(0)=Bo（取t=0），當(dāng)t>0時(shí)，磁通密度以線性規(guī)律增長，磁通密度以線性規(guī)律增長，即：

當(dāng)t=τ時(shí)，即時(shí)間達(dá)到脈沖的后沿時(shí)，磁通密度達(dá)到最大值Bm=B(τ)。磁通密度增量（磁通密度初始值和最終值之差）?B=B(τ)－B(0)=Bm－Bo。當(dāng)輸入電壓是一序列單極性矩形脈沖時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，在變壓器鐵芯中將產(chǎn)生一個(gè)磁通密度增量與之對(duì)應(yīng)，即：

如果能忽略渦流影響，則磁場強(qiáng)度H的平均值取決于導(dǎo)磁體材料的性質(zhì)。變壓器初級(jí)線圈內(nèi)的磁化電流的增長與H成正比。在特性曲線的直線段內(nèi)磁場強(qiáng)度H、磁化電流和磁通密度B都以線性變化。脈沖電壓作用結(jié)束后(t>τ)，變壓器中的磁化電流將按變壓器的輸出電路特性，即電路參數(shù)確定的規(guī)律下降，變壓器鐵芯內(nèi)的磁場強(qiáng)度和磁通密度也相減弱，此時(shí)變壓器線圈內(nèi)產(chǎn)生反極性電壓，即反電動(dòng)勢(shì)。變壓器的輸出電路特性實(shí)際上就是第一章中已經(jīng)詳細(xì)介紹過的正、反激電壓輸出電路特性。上面分析雖然都是以單極性脈沖輸入為例，但對(duì)雙極性脈沖輸入同樣有效；在方法上，只須把雙極性脈沖輸入看成是兩個(gè)單極性脈沖分別輸入即可。開關(guān)電源變壓器分單激式開關(guān)電源變壓器和雙激式開關(guān)電源變壓器，兩種開關(guān)電源變壓器的工作原理和結(jié)構(gòu)并不是完全一樣的。單激式開關(guān)電源變壓器的輸入電壓是單極性脈沖，并且還分正反激電壓輸出；而雙激式開關(guān)電源變壓器的輸入電壓是雙極性脈沖，一般是雙極性脈沖電壓輸出。另外，為了防止磁飽和，在單激式開關(guān)電源變壓器的鐵芯中一般都要留氣隙；而雙激式開關(guān)電源變壓器的鐵芯磁通密度變化范圍相對(duì)來說比較大，一般不容易出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象，因此，一般都不用留氣隙。單激式開關(guān)電源變壓器還分正激式和反激式兩種，對(duì)兩種開關(guān)電源變壓器的技術(shù)參數(shù)要求也不一樣；對(duì)正激式開關(guān)電源變壓器的初級(jí)電感量要求比較大，而對(duì)反激式開關(guān)電源變壓器初級(jí)電感量的要求，其大小卻與輸出功率有關(guān)。雙激式開關(guān)電源變壓器鐵芯的磁滯損耗比較大，而單激式開關(guān)電源變壓器鐵芯的磁滯損耗卻比較小。這些參數(shù)基本上都與變壓器鐵芯的磁化曲線有關(guān)。歷史趣聞：磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度的概念一直以來都比較混亂，這是因?yàn)闅v史的原因。1900年，國際電學(xué)家大會(huì)贊同美國電氣工程師協(xié)會(huì)(AIEE)的提案，決定CGSM制磁場強(qiáng)度的單位名稱為高斯，這實(shí)際上是一場誤會(huì)。AIEE原來的提案是把高斯作為磁通密度B的單位，由于翻譯成法文時(shí)誤譯為磁場強(qiáng)度，造成了混淆。當(dāng)時(shí)的CGSM制和高斯單位制中真空磁導(dǎo)率是無量綱的純數(shù)1，所以，真空中的B和H沒有什么區(qū)別，致使一度B和H都用同一個(gè)單位——高斯。1930年7月，國際電工委員會(huì)才在廣泛討論的基礎(chǔ)上作出決定：真空磁導(dǎo)率有量綱，B和H性質(zhì)不同，B和D對(duì)應(yīng)，H和E對(duì)應(yīng)，在CGSM單位制中以高斯作為B的單位，以奧斯特作為H的單位。直至1960年第十一屆國際計(jì)量大會(huì)決定：將六個(gè)基本單位為基礎(chǔ)的單位制，即米、千克、秒、安培、開爾文和坎德拉，命名為國際單位制，并以SI(法文LeSystemInternationalel"Unites的縮寫)表示，磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度的概念才基本得到統(tǒng)一。由于歷史的原因，在電磁單位制中還經(jīng)常使用兩種單位制，一種是SI國際單位制，另一種CGSM（厘米、克、秒）絕對(duì)單位制；兩個(gè)單位的主要區(qū)別是，在CGSM單位制中真空導(dǎo)磁率，在SI單位制中真空導(dǎo)磁率。因此，只需要在CGSM單位制前面乘以一個(gè)系數(shù)，即可把CGSM單位制轉(zhuǎn)換成SI單位制，一般可寫成

或

，看到這個(gè)符號(hào)即可知道是采用SI單位制；但這里的

或

一般稱為相對(duì)導(dǎo)磁率，是一個(gè)不帶單位的系數(shù)，而則要帶單位。高頻FLYBACK變壓器(偶合電感器)最佳之設(shè)計(jì)莊榮源飛瑞股份前言:由於市場日益競爭,如何將產(chǎn)品的價(jià)格降低,體積縮小,品質(zhì)提高變成現(xiàn)今大家所共同努力的目標(biāo).而在SwitchPowerSupply的領(lǐng)域裡,變壓器是非常重要的一部份,而Flyback變壓器更在其中佔(zhàn)了舉足輕重的地位.如何將變壓器最佳化,就顯得額外的重要.我們可以從很多SPS書籍中獲得Flyback變壓器的設(shè)計(jì)方法,雖然不盡相同,卻是大同小異.就一個(gè)設(shè)計(jì)者的角度來說,設(shè)計(jì)一個(gè)Flyback變壓器並不難,只要將設(shè)計(jì)的參數(shù)訂定,依照書上所寫的設(shè)計(jì)步驟,一個(gè)變壓器就誕生了,在這變壓器誕生的同時(shí),你難道不會(huì)懷疑,這變壓器是否為最佳的變壓器呢?因?yàn)樵谶@設(shè)計(jì)的參數(shù)裡還隱藏了不確定的因數(shù).例如Flyback變壓器初級(jí)測(cè)電感值參數(shù)的訂定,你如何能確定你剛開始設(shè)計(jì)所選定的感值對(duì)這顆變壓器是最佳感值呢?本文將針對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)做進(jìn)一步的探討,以達(dá)到變壓器的最佳化.變壓器設(shè)計(jì):在實(shí)際設(shè)計(jì)變壓器時(shí),有兩個(gè)原則是必須注意到的:溫升:這是設(shè)計(jì)變壓器最主要的項(xiàng)目和目的,安規(guī)裡有規(guī)定變壓器的最高溫升,變壓器的溫升需在安規(guī)的限制範(fàn)圍內(nèi).例如:classA的絕對(duì)溫度不能超過90°C;classB不能超過110°C等等,這都是我們?cè)O(shè)計(jì)必須遵循的準(zhǔn)則.經(jīng)濟(jì):想在這市場上與人競爭,經(jīng)濟(jì)考量是不可或缺的,尤其是變壓器往往是機(jī)器COST中的主要部分之一,所以如何將變壓器的價(jià)格,體積,品質(zhì)掌握到最佳,就是我們所努力的方向.設(shè)計(jì)步驟:

要將變壓器最佳化,需將不同的參數(shù)重複代入計(jì)算,如果利用Excel的方程式或利用程式語言將公式寫下來,這樣將變得很簡單,只要改變參數(shù)就可得到結(jié)果.(1).參數(shù)的訂定:在設(shè)計(jì)變壓器之前,需先預(yù)定一些參數(shù),很多書籍上這些參數(shù)都不同,不同的設(shè)計(jì)參數(shù),設(shè)計(jì)流程亦不同,現(xiàn)在針對(duì)Flyback變壓器最常用的設(shè)計(jì)參數(shù):輸入電壓:Vin,輸入的頻率:fs,最大Dutycycle:Dmax,初級(jí)與次級(jí)圈數(shù)比:N,初級(jí)電感值:Lp,輸出電壓:Vo,輸出最大:Wo.線圈的電流密度:J,最大磁通密度:Bmax,最大繞線因數(shù):Kw(2)由這些設(shè)計(jì)參數(shù)算出:Dutyon(初級(jí)測(cè)導(dǎo)通的比例)Dutyoff(次級(jí)測(cè)導(dǎo)通的比例)初級(jí)交流電流值(ΔIpp)初級(jí)電流Peak值(Ip(peak))初級(jí)電流RMS值(Irms)初級(jí)線圈的線徑(Φp)次級(jí)電流Peak值(Ip(peak))次級(jí)電流RMS值(Irms)初級(jí)線圈的線徑(Φs)有效磁路面積與鐵心可繞面積的乘積(Ac*Aw)在由Aw*Ac選擇適當(dāng)?shù)蔫F心.設(shè)計(jì)參數(shù)裡有些是定死的,例如:Vin,fs(IC操作頻率),Dmax(ICmaxdutycycle),Vo,Wo.有些是依經(jīng)驗(yàn)所定的,例如:電流密度:J(classA自然散熱<500A/,classB<700A/);最大磁通密度Bmax(100°C飽和磁通密度的80%);最大繞線因數(shù)Kw(若將漆包線的絕緣厚度算入與減掉安規(guī)間距,EE與EIcore<0.4).有些是可變的,也是最不確定設(shè)計(jì)參數(shù),例如:初級(jí)與次級(jí)圈數(shù)比N,初級(jí)電感值Lp;N的決定條件為:即使再最低壓時(shí),亦能提供穩(wěn)定的輸出電壓和能量.因N直接影響到Dutycycle的大小,N愈大,Dutyon愈大,Ip(rms)愈小,銅損愈小,Aw*Ac愈小所以IC的Dutymax就是選定N的限制,可以從下式訂定N值..至於感值Lp的選定直接影響core的大小和操作的模式(CCMorDCM),也是我們所要探討的目標(biāo).設(shè)計(jì)理論:在剛開始不知道系統(tǒng)操作於何種模式下時(shí),分別對(duì)CCM與DCM不同操作模式下做理論推導(dǎo).操作於CCM模式時(shí)由將初級(jí)與次級(jí)圈數(shù)比代入;……(I)由,將代入……(II)若不考慮效率問題,則將(II)代入……(III);……(Ⅳ)由磁通連續(xù)定則……(Ⅴ);……(VI)……(Ⅶ)……(Ⅷ)由:初級(jí)導(dǎo)線面積;:次級(jí)導(dǎo)線面積若不將安規(guī)間距與漆包線的絕緣厚度考慮進(jìn)去,則……(Ⅸ)由(gauss)(cm)乘以IX……(X)若將安規(guī)間距與漆包線的絕緣厚度考慮進(jìn)去(如此的做法比較不會(huì)因考慮集膚效應(yīng)採用多股線而產(chǎn)生誤差)在不考慮溫度效應(yīng)下,集膚深度(cm)選擇半徑小於集膚深度的線徑.則:初級(jí)導(dǎo)線總面積;:次級(jí)導(dǎo)線總面積:安規(guī)間距(margintape)所佔(zhàn)的面積操作於DCM模式下……(i)由,將代入……(ii)由法拉第定律……(iii)……(iv)……(v)……(vi)之後則同CCM……(vii)將以上公式用Excel的方程式或利用程式語言將公式寫下來,將設(shè)計(jì)參數(shù)代入後,用DCM算出其Dutyon與Dutyoff,若,則操作於DCM,則操作於Boundary,則操作於CCM以此作為分隔CCM與DCM.若只改變Lp的值,其餘預(yù)定參數(shù)固定,將得到一Lp與AcAw的關(guān)係如下.感值愈大,所需的變壓器愈大.變壓器core的選擇:再選擇core之前,有幾點(diǎn)是必須注意與了解的:coreloss的溫度特性:依據(jù)機(jī)器所規(guī)定的周溫,當(dāng)core的溫度上升時(shí),我們希望其coreloss是隨著溫度而下降,如此才比較不會(huì)有熱跑脫的現(xiàn)象發(fā)生.當(dāng)銅損=鐵損時(shí),效率最高.變壓器的大小直接影響到系統(tǒng)的操作模式,所以必須清楚DCM與CCM的優(yōu)缺點(diǎn),才能選擇到最適合需求的core.符合最經(jīng)濟(jì)的原則:也就是說10元能符合規(guī)格與需求決不多花1毛錢.選擇的core愈大,效率不一定愈高,但散熱面積愈大,溫升會(huì)愈低.若了解以上幾點(diǎn)後,依據(jù)需求選定變壓器的core.例如:若在乎的是散熱問題,可選擇大一點(diǎn)的core和coreloss較小的core(如:MPPcore);若在乎的是體積和價(jià)格,可以選擇較小與市場上價(jià)格較低的core(如:PC30,PC40,MZ4,EE,EIcore)若core的大小不知如何選擇,建議先選擇符合2倍Boundary感值計(jì)算出來Ac*Aw的core.變壓器最佳化:當(dāng)你選定core之後,可得知其Ac*Aw的值.在小於Ac*Aw的原則下變動(dòng)預(yù)設(shè)參數(shù)感值Lp與電流密度,也就是等於改變銅損與鐵損之間的關(guān)係.可以得到Lp與Loss之間的關(guān)係圖如下.

當(dāng)PCu(銅損)=PFe(鐵損)時(shí),TotalLoss接近最低值.此感值正是最佳的選擇.CoreLoss(鐵損)與材料特性有關(guān),製造商會(huì)提供單位鐵損的相關(guān)資料,有的是對(duì)照?qǐng)D,有的是以下的公式:B:磁通密度變化量,;M和N依材質(zhì)不同而異.CoreLoss=PFe*VeVe:Core的體積CoupleLoss(銅損)與操作頻率和使用線徑有關(guān),各種線徑的線材都會(huì)提供單位長度的直流電阻值,但除了線徑中的標(biāo)準(zhǔn)值流電阻外,還存在著由於交流電流集膚效應(yīng)所產(chǎn)生的繞線電阻增量.為了減少集膚效應(yīng)所帶來的損失,可以使用多股線,但多股線的線徑並非愈小愈好,太多的導(dǎo)線,層數(shù)太多,鄰近效應(yīng)所造成的損失會(huì)增大,甚至大過用多股線所降低的損失.由下列公式可得知.:因鄰近磁場切割所造成的增量

其P,X,FR關(guān)係如下圖,其中P:NumberoflayerN:Numberofturnsd:Wirediameterδ:SkindepthW:Layerwidth當(dāng)算出TotalLoss=coreloss+coupleloss可以先藉由以下公式,算出慨略的溫升,以判定是否符合安規(guī)的標(biāo)準(zhǔn).當(dāng)溫升過高時(shí),表示選的core太小,散熱面積不夠;若溫升很低,表示可以再將core縮小以達(dá)到最經(jīng)濟(jì)之原則.(實(shí)際的溫升會(huì)比此公式算出的溫升高)As:散熱表面積一切都決定後,就剩下繞線的方法.若要降低漏感,最好是用三明治繞法,而且繞線密度要平均.若要防止EMI則可加入法拉第銅環(huán).(它可降低一,二次測(cè)的雜散電容值,讓Commonmodenoise與Differentialmodenoise不易經(jīng)由變壓器的雜散電容傳導(dǎo)出去),此方法會(huì)降低繞線因素Kw,因此在一開始就得決定加不加法拉第銅環(huán).實(shí)例設(shè)計(jì):參數(shù)的訂定:

有一輸出Po=20W,Vo=12V的直流轉(zhuǎn)換器,輸入電壓範(fàn)圍為18~60Vdc,fs=100KHz,需符合安規(guī)classB,J=6.5A/,一二測(cè)無須安規(guī)間距,不加法拉第銅環(huán),Kw=0.3,Bmax=2500G,Dmax=0.48

由Vin=18V,Dmax=0.48N選定為1.3

Boundary感值為19.4uHLp選定為40uH理論計(jì)算:由設(shè)計(jì)理論可以算出下列的值:Dutyon(初級(jí)測(cè)導(dǎo)通的比例)=0.464Dutyoff(次級(jí)測(cè)導(dǎo)通的比例)=0.536初級(jí)交流電流值(ΔIpp)=2.321A初級(jí)電流Peak值(Ip(peak))=3.554A初級(jí)電流RMS值(Irms)=1.693A初級(jí)線圈的線徑(Φp)=0.576mm次級(jí)電流Peak值(Ip(peak))=4.620A次級(jí)電流RMS值(Irms)=2.365A初級(jí)線圈的線徑(Φs)=0.680mm集膚深度mm所以選擇線徑<0.44mm的線徑0.2mm多股並繞,N1用8條,N2用12條0.22mm線徑並繞.JIS2種線材0.2mm線徑最大完成外徑為0.22mm有效磁路面積與鐵心可繞面積的乘積(Ac*Aw)=1147.3core的選擇選擇coreEE19,材質(zhì)PC40,其Ac*Aw=1258.56,coreloss在接近100°C時(shí)最低.Bsat(25°C)=5100GBsat(60°C)=4500GBsat(100°C)=3900GBsat(120°C)=3500GAc=22.8Aw=55.2Ve=889.5平均每匝長度MLT=43.1mm變壓器的最佳化:JIS2種線材0.2mm線徑最大導(dǎo)體電阻=577.2ohm/Km工作溫度90°C時(shí),最大導(dǎo)體電阻=736ohm/Km代入變壓器正常操作下的輸入電壓27.5V,在符合Ac*Aw<1258.56的條件下,改變Lp與J可求得下列關(guān)係圖:當(dāng)Lp感值=40uH,N1=22.83,7.86條並繞,N2=17.56,13.56條並繞時(shí).coreloss=0.288coupleloss=0.358,TotalLoss最低=0.646W,代入下式,算出其慨略溫升.,取感值Lp=40uH,N1=22,0.2mm8條並繞,N2=17,0.2mm14條並繞.結(jié)論:在實(shí)際設(shè)計(jì)上,用常態(tài)電壓去做變壓器最佳的設(shè)計(jì)必須注意到,Bmax的設(shè)定,因?yàn)楫?dāng)輸入電壓降低,Ip,為提供足夠的能量,電流會(huì)往上升,若預(yù)定的Bmax值太高,在最低壓時(shí)需注意到是否會(huì)飽和的問題.以上面的實(shí)例設(shè)計(jì)為例,最低壓時(shí),Ip=3.44A,Bmax=2741Gauss,還不會(huì)有飽和的問題.當(dāng)改變預(yù)定參數(shù)Bmax時(shí),最佳的感值Lp會(huì)隨著改變,Bmax愈大,最佳的感值Lp亦愈大,且TotalLoss愈低,這時(shí)只要注意低壓飽和問題即可.參考文件:轉(zhuǎn)換市電源供給器設(shè)計(jì)技術(shù)……簡章華高頻交換式電源供應(yīng)器原理與設(shè)計(jì)……梁適安最新交換式電源技術(shù)……溫坤裡,張鴻林Introductiontopowerelectronics……DanielW.HART電力電子學(xué)……王順忠電力電子論與實(shí)作……楊宗銘工程碩士學(xué)位論文designthatthevoltagestressofswitchisminimum,achievetheoptimizationpurpose.Keywords:High-frequencytransformer;Parasiticparameters;Equivalentcircuit;iSIGHTsoftwareIV工程碩士學(xué)位論文從硬開關(guān)技術(shù)中得到啟示:若能在開關(guān)管的導(dǎo)通和截止瞬間,使電壓或電流為零,即可使開關(guān)損耗為零。理想的關(guān)斷過程是電流先降為零,電壓在緩慢地上升到瞬態(tài)值,關(guān)斷損耗近似為零。因?yàn)殚_關(guān)器件關(guān)斷之前,電流已下降到零,這便解決了感性關(guān)斷時(shí)的尖峰電壓問題。這種動(dòng)作稱為零電流開關(guān)(ZeroCurrentSwitching,簡稱ZCS。理想的導(dǎo)通過程電壓已降到零,電流在緩慢上升到瞬態(tài)值,導(dǎo)通損耗近似為零。開關(guān)器件結(jié)電容上的電壓為零,解決了容性導(dǎo)通尖峰電流的問題。這種動(dòng)作稱為零電壓開關(guān)(ZeroVeltageSwitching,簡稱ZVS。這種開關(guān)技術(shù),相對(duì)于硬開關(guān)技術(shù),稱作軟開關(guān)技術(shù)。軟開關(guān)技術(shù)的使用,從理論分析上來講可使開關(guān)的損耗接近于零,進(jìn)而使開關(guān)頻率有所提高,變換器有更高的工作效率,更大的功率密度,體積、重量反而大大減少,具有了更高的可靠性;并且可以有效地減少電能變換器引起的電磁污染(EMI和環(huán)境污染(噪聲等。(1單端反激式變壓器單端反激式變壓器的原理圖如圖1.2所示VsR圖1.2單端反激式變換器的工作原理當(dāng)半導(dǎo)體開關(guān)管導(dǎo)通時(shí),在變壓器的初級(jí)繞組中會(huì)產(chǎn)生電流,此時(shí)初級(jí)電感充磁。由于變壓器的初級(jí)線圈與次級(jí)線圈同名端反向,此時(shí)二極管D承受的是反向電壓,所以負(fù)載中無電流流過。當(dāng)開關(guān)管斷開時(shí),線圈的中的磁場會(huì)急劇變小,次級(jí)線圈中會(huì)產(chǎn)生的電壓極性發(fā)生變化,此時(shí)二極管D導(dǎo)通,從而產(chǎn)生電流流經(jīng)負(fù)載,并且向電容充電。由于變壓器是通過磁場進(jìn)行能量的傳遞,所以電網(wǎng)中的干擾不會(huì)影響到負(fù)載,故其抗干擾能力比較強(qiáng)。單端反激式變換器構(gòu)成的開關(guān)電源成本較低,輸出功率一般為20W~IOOW。它有較好的電壓調(diào)整率,但輸出的紋波電壓較大,負(fù)載調(diào)整率較差,適合于負(fù)載相對(duì)固定的場合。(2單端正激式變換器單端正激式變換器電路結(jié)構(gòu)如下圖1.3所示。工程碩士學(xué)位論文應(yīng)用意義以及它的不足之處,并且探討了變壓器設(shè)計(jì)中需要改進(jìn)的問題,希望能夠做出更加優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方法。9開關(guān)電源變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用這會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)熱擊穿的