變壓器基礎(chǔ)知識(shí)1 變壓器組成 原邊 初級(jí)primaryside 繞組副邊繞組 次級(jí)secondaryside 原邊電感 勵(lì)磁電感 magnetizinginductance漏感 leakageinductance副邊開路或者短路測量原邊電感分別得勵(lì)磁電感和漏感匝數(shù)比 K Np Ns V1 V22 變壓器的構(gòu)成以及作用 1 電氣隔離2 儲(chǔ)能3 變壓4 變流 2020 4 8 1 高頻變壓器設(shè)計(jì)程序 1 磁芯材料2 磁芯結(jié)構(gòu)3 磁芯參數(shù)4 線圈參數(shù)5 組裝結(jié)構(gòu)6 溫升校核 2020 4 8 2 1 磁芯材料軟磁鐵氧體由于自身的特點(diǎn)在開關(guān)電源中應(yīng)用很廣泛 其優(yōu)點(diǎn)是電阻率高 交流渦流損耗小 價(jià)格便宜 易加工成各種形狀的磁芯 缺點(diǎn)是工作磁通密度低 磁導(dǎo)率不高 磁致伸縮大 對(duì)溫度變化比較敏感 選擇哪一類軟磁鐵氧體材料更能全面滿足高頻變壓器的設(shè)計(jì)要求 進(jìn)行認(rèn)真考慮 才可以使設(shè)計(jì)出來的變壓器達(dá)到比較理想的性能價(jià)格比 2020 4 8 3 2 磁芯結(jié)構(gòu)選擇磁芯結(jié)構(gòu)時(shí)考慮的因數(shù)有 降低漏磁和漏感 增加線圈散熱面積 有利于屏蔽 線圈繞線容易 裝配接線方便等 漏磁和漏感與磁芯結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系 如果磁芯不需要?dú)庀?則盡可能采用封閉的環(huán)形和方框型結(jié)構(gòu)磁芯 2020 4 8 4 2020 4 8 5 3 磁芯參數(shù) 磁芯參數(shù)設(shè)計(jì)中 要特別注意工作磁通密度不只是受磁化曲線限制 還要受損耗的限制 同時(shí)還與功率傳送的工作方式有關(guān) 磁通單方向變化時(shí) B Bs Br 既受飽和磁通密度限制 又更主要是受損耗限制 損耗引起溫升 溫升又會(huì)影響磁通密度 工作磁通密度Bm 0 6 0 7 B開氣隙可以降低Br 以增大磁通密度變化值 B 開氣隙后 勵(lì)磁電流有所增加 但是可以減小磁芯體積 對(duì)于磁通雙向工作而言 最大的工作磁通密度Bm B 2Bm 在雙方向變化工作模式時(shí) 還要注意由于各種原因造成勵(lì)磁的正負(fù)變化的伏秒面積不相等 而出現(xiàn)直流偏磁問題 可以在磁芯中加一個(gè)小氣隙 或者在電路設(shè)計(jì)時(shí)加隔直流電容 2020 4 8 6 2020 4 8 7 4 線圈參數(shù) 線圈參數(shù)包括 匝數(shù) 導(dǎo)線截面 直徑 導(dǎo)線形式 繞組排列和絕緣安排 導(dǎo)線截面 直徑 決定于繞組的電流密度 通常取J為2 5 4A mm2 導(dǎo)線直徑的選擇還要考慮趨膚效應(yīng) 如必要 還要經(jīng)過變壓器溫升校核后進(jìn)行必要的調(diào)整 2020 4 8 8 4 線圈參數(shù) 一般用的繞組排列方式 原繞組靠近磁芯 副繞組反饋繞組逐漸向外排列 下面推薦兩種繞組排列形式 1 如果原繞組電壓高 例如220V 副繞組電壓低 可以采用副繞組靠近磁芯 接著繞反饋繞組 原繞組在最外層的繞組排列形式 這樣有利于原繞組對(duì)磁芯的絕緣安排 2 如果要增加原副繞組之間的耦合 可以采用一半原繞組靠近磁芯 接著繞反饋繞組和副繞組 最外層再繞一半原繞組的排列形式 這樣有利于減小漏感 2020 4 8 9 5 組裝結(jié)構(gòu) 高頻電源變壓器組裝結(jié)構(gòu)分為臥式和立式兩種 如果選用平面磁芯 片式磁芯和薄膜磁芯 都采用臥式組裝結(jié)構(gòu) 6 溫升校核 溫升校核可以通過計(jì)算和樣品測試進(jìn)行 實(shí)驗(yàn)溫升低于允許溫升15度以上 適當(dāng)增加電流密度和減小導(dǎo)線截面 如果超過允許溫升 適當(dāng)減小電流密度和增加導(dǎo)線截面 如增加直徑 窗口繞不下 要加大磁芯 增加磁芯的散熱面積 2020 4 8 10 功率變壓器根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為三大類 1 反激式變壓器 2 正激式變壓器 3 推挽式變壓器 全橋 半橋變換器中的變壓器 磁芯結(jié)構(gòu)適合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式如下頁表所示 2020 4 8 11 適合 0 一般 不適合 2020 4 8 12 磁芯材料的選擇應(yīng)注意的問題 1 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 2 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 3 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 2020 4 8 13 磁芯材料的選擇應(yīng)注意的問題 1 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 2 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 3 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 2020 4 8 14 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 變壓器繞組匝數(shù)可以減小 銅損也隨之減小在實(shí)際應(yīng)用中 開關(guān)電源高頻變換器的電路形式很多 對(duì)于變壓器而言 其工作形式可分為兩大類 1 雙極性 電路為半橋 全橋 推挽等 變壓器一次繞組里正負(fù)半周勵(lì)磁電流大小相等 方向相反 因此對(duì)于變壓器磁心里的磁通變化 也是對(duì)稱的上下移動(dòng) B的最大變化范圍為 B 2Bm 磁心中的直流分量基本抵消 2 單極性 電路為單端正激 單端反激等 變壓器一次繞組在1個(gè)周期內(nèi)加上1個(gè)單向的方波脈沖電壓 單端反激式如此 變壓器磁心單向勵(lì)磁 磁通密度在最大值Bm到剩余磁通密度Br之間變化 這時(shí)的 B Bm Br 若減小Br 增大飽和磁通密度Bs 可以提高 B 降低匝數(shù) 減小銅耗 2020 4 8 15 變壓器或者電感根據(jù)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的工作方式分為三大類 1 直流濾波電感工作狀態(tài) 電感磁芯只工作在一個(gè)象限 屬于這類工作狀態(tài)的電感有Boost電感 Buck電感 Buck boost電感 正激以及所有推挽拓?fù)渥儞Q器輸出濾波電感 單端反激變換器變壓器 2 正激變換器中的變壓器 磁芯也只工作在一個(gè)象限 但變壓器要進(jìn)行磁復(fù)位 3 推挽拓?fù)渲械淖儔浩?磁芯是雙向交變磁化 屬于這類的變換器有推挽變換器 半橋和全橋變換器 交流濾波電感等 2020 4 8 16 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)?假如磁心損耗為發(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 2020 4 8 17 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 2020 4 8 18 變壓器的設(shè)計(jì)原則及方法設(shè)計(jì)變壓器主要有很兩種方法 面積積AP法AP 磁芯截面積Ae與線圈有效窗口面積Aw的乘積 PT 變壓器的計(jì)算功率Ae 磁芯有效截面積Aw 磁芯窗口面積Ko 磁芯窗口利用系數(shù) 典型值為0 4Kf 波形系數(shù) 方波為4 正弦波為4 44Bw 磁芯的工作磁感強(qiáng)度Fs 開關(guān)工作頻率Kj 電流密度系數(shù) 取395A cm2X 磁芯結(jié)構(gòu)系數(shù) P107表3 8 2020 4 8 19 按照功率變壓器的設(shè)計(jì)方法 用面積積AP法設(shè)計(jì)變壓器的一般步驟 1 選擇磁芯材料 計(jì)算變壓器的視在功率 2 確定磁芯截面尺寸AP 根據(jù)AP值選擇磁芯尺寸 3 計(jì)算原副邊電感量及匝數(shù) 4 計(jì)算空氣隙的長度 5 根據(jù)電流密度和原副邊有效值電流求線徑 6 求銅損和鐵損是否滿足要求 比如 允許損耗和溫升 2020 4 8 20 選擇磁芯材料 確定變壓器的視在功率PT 考慮成本因數(shù)在此選擇PC40材質(zhì) 查PC40資料得Bs 0 39TBr 0 06T 為了防止磁芯的瞬間出現(xiàn)飽和 預(yù)留一定裕量 取Bm Bmax 0 6 0 198T取0 2T 電源的基本參數(shù)如右 選擇反激拓?fù)?2020 4 8 21 2 計(jì)算AP 用Excel表格來計(jì)算AP值 變壓器視在功率PT 對(duì)于反激拓?fù)鋪碚f 式中 J電流密度 通常取395A cm2 Ku是銅窗有效使用系數(shù) 根據(jù)安規(guī)要求和輸出路數(shù)決定 一般取0 2 0 4 在此計(jì)算取0 4 2020 4 8 22 根據(jù)上圖 選擇大于計(jì)算AP值的磁芯EE3528 相關(guān)參數(shù)是 Ae 84 8mm2AP 1 3398cm4Wa 158mm2AL 2600nH H2 2020 4 8 23 反為了適應(yīng)突變的負(fù)載電流 把電源設(shè)計(jì)在臨界模式 臨界電流I0B 0 8 I0 2 4A 3 計(jì)算原 副邊電感量及匝數(shù) 2020 4 8 24 原 副邊峰值電流 原 副邊及輔助繞組的匝數(shù) 2020 4 8 25 為了避免磁芯飽和 在磁回路中加入一個(gè)適當(dāng)?shù)臍庀?計(jì)算如下 5 原 副邊及輔助繞組的線徑有兩種方法 1 求裸線面積 2 求導(dǎo)線直徑 J電流密度取4A mm2 用兩根直徑為0 18mm線并繞 或者用AWG 28單股線 可能要用氣隙磁通邊緣效應(yīng)校正匝數(shù) 2020 4 8 26 次級(jí)線徑 用4根直徑為0 25mm AWG 31 的線并繞 電流趨膚深度的計(jì)算 多股線并繞時(shí)的線徑必須小于或等于dwH 單線繞制時(shí) 線徑如果超過dWH值就要考慮采用多股線并繞 2020 4 8 27 6 計(jì)算銅損Pcu和鐵損P