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開關電源變壓器繞組設計方法

發布時間:2021.07.23 15:42 瀏覽次數:386
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高頻變壓器繞組是開關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。不過在開關電源中變壓器繞組實現磁耦合的磁路不是普通工頻變壓器中的硅鋼片,而是磁導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傳輸具有寬頻帶的脈沖能量。高頻變壓器的設計是開關電源的關鍵技術,在半橋式、全橋式和推挽式開關電源中,高頻變壓器通過的是交變的電流,不會有直流磁化的問題,設計方法和普通工頻變壓器基本相同,只是采用的磁芯材料不同,設計起來相對比較簡單。正激式開關電源的高頻變壓器與全橋式有相同之處,但會有直流磁化問題,設計起來要復雜一些。因此有時會在高頻變壓器中增加去磁繞組,以降低設計的難度。反激式開關電源在小功率開關電源中應用最普及,但其高頻變壓器的設計也最為復雜。
反激式開關電源的高頻變壓器繞組相當于一只儲能電感,在固定的開關頻率下,其儲存的能量大小直接影響開關電源的輸出功率。在設計反激式開關電源的高頻變壓器繞組時,需要注意以下幾個問題:
1.計算一次電感量Lp
2.選擇磁芯與骨架
3.計算一次繞組匝數Np
4.計算二次繞組匝數Ns
5.計算氣隙間距
6.檢驗最大磁通密度Bm
7.漏感要小
8.要考慮溫度影響
首先要根據一次繞組的峰值電流和開關電源的輸出功率來計算一次繞組的電感量;然后是選擇磁芯與骨架并確定相關參數;接下來依據選定的磁芯截面積和磁路長度等參數計算一次繞組匝數Np,在根據一次繞組和二次繞組的比值計算二次繞組的匝數Ns。為了防止高頻變壓器出現磁飽和,通常需要在磁芯中加入空氣間隙,還需要根據一次電感量Lp和所選用磁芯參數計算空氣間隙的長度;最后還要根據峰值電流、一次繞組匝數和磁芯參數計算最大磁通密度,檢驗是否滿足磁芯材料的要求。在部分條件不能滿足時,要重新選擇磁芯和骨架,再進行計算和檢驗,直到滿足設計要求為止。
開關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盡可能小,隨著工作溫度的升高,飽和磁通密度的降低應盡量小。在設計和選用磁心材料時,除了關心其飽和磁通密度、損耗等常規參數外,還要特別注意它的溫度特性。一般應按實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,按開關電源工作環境溫度為40℃考慮,磁心溫度可達60~80℃,一般選擇Bm=0.2~0.4T,即2000~4000GS。
最后要說明的是: 繞制高頻變壓器繞組是制作開關電源的重要工作,也是設計與制作過程中消耗大量時間和主要精力的工作。高頻變壓器做得好,整個設計與制作工作就完成了70%以上。做得不好,可能就會出現停振、嘯叫或輸出電壓不穩、負載能力不高等現象。在變壓器的溫升<35℃,繞制良好的脈沖變壓器的工作效率可達到90%以上,且波形質量優異,電性能參數穩定。在100kHz的使用條件下,脈沖變壓器的體積可以大大減小。繞制變壓器時,要盡最大的努力保證以下幾點:
1.即使輸入電壓最大,主開關器件導通時間最長,也不至于使變壓器的磁芯飽和;
2.初級線圈與次級線圈的耦合要好,漏電感要小;
3.高頻開關變壓器會因集膚效應導致電線的電阻值增大,因而要減小電流密度。通常,工作時的最大磁通密度取決于次級線圈。
4.一般來說,采用鐵氧體磁芯EI28時,要把Bm控制在3kGs以下

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