電源高頻變壓器的設(shè)計(jì)方法

時(shí)間：2019-03-27 14:50:01

關(guān)鍵字：交流電壓變壓器電源技術(shù)解析

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[導(dǎo)讀]　　設(shè)計(jì)高頻變壓器是電源設(shè)計(jì)過(guò)程中的難點(diǎn)，下面以反饋式電流不連續(xù)電源高頻變壓器為例，向大家介紹一種電源高頻變壓器的設(shè)計(jì)方法?！　≡O(shè)計(jì)目標(biāo)：電源輸入交流電壓在180V

　　設(shè)計(jì)高頻變壓器是電源設(shè)計(jì)過(guò)程中的難點(diǎn)，下面以反饋式電流不連續(xù)電源高頻變壓器為例，向大家介紹一種電源高頻變壓器的設(shè)計(jì)方法。

　　設(shè)計(jì)目標(biāo)：電源輸入交流電壓在180V~260V之間，頻率為50Hz，輸出電壓為直流5V、14A，功率為70W，電源工作頻率為30KHz。

　　設(shè)計(jì)步驟：

　　計(jì)算高頻變壓器初級(jí)峰值電流Ipp

　　由于是電流不連續(xù)性電源，當(dāng)功率管導(dǎo)通時(shí)，電流會(huì)達(dá)到峰值，此值等于功率管的峰值電流。由電感的電流和電壓關(guān)系V=L*di/dt可知：

　　輸入電壓：Vin(min)=Lp*Ipp/Tc

　　取1/Tc=f/Dmax，則上式為：

　　Vin(min)=Lp*Ipp*f/Dmax

　　其中：Vin：直流輸入電壓，V

　　Lp：高頻變壓器初級(jí)電感值，mH

　　Ipp：變壓器初級(jí)峰值電流，A

　　Dmax：最大工作周期系數(shù)

　　f：電源工作頻率，kHz

　　在電流不連續(xù)電源中，輸出功率等于在工作頻率下的每個(gè)周期內(nèi)儲(chǔ)存的能量，其為：

　　Pout=1/2*Lp*Ipp2*f

　　將其與電感電壓相除可得：

　　Pout/Vin(min)=Lp*Ipp2*f*Dmax/(2*Lp*Ipp*f)

　　由此可得：

　　Ipp=Ic=2*Pout/(Vin(min)*Dmax)

　　其中：Vin(min)=1.4*Vacin(min)-20V(直流漣波及二極管壓降)=232V，取最大工作周期系數(shù)Dmax=0.45。則：

　　Ipp=Ic=2*Pout/(Vin(min)*Dmax)=2*70/(232*0.45)=1.34A

　　當(dāng)功率管導(dǎo)通時(shí)，集極要能承受此電流。

　　求最小工作周期系數(shù)Dmin

　　在反饋式電流不連續(xù)電源中，工作周期系數(shù)的大小由輸入電壓決定。

　　Dmin=Dmax/[(1-Dmax)*k+Dmax]

　　其中：k=Vin(max)/Vin(min)

　　Vin(max)=260V*1.4-0V(直流漣波)=364V，若允許10%誤差，Vin(max)=400V。

　　Vin(min)=232V，若允許7%誤差，Vin(min)=216V。

　　由此可得：

　　k=Vin(max)/Vin(min)=400/216=1.85

　　Dmin=Dmax/[(1-Dmax)*k+Dmax]=0.45/[(1-0.45)*1.85+0.45]=0.31

　　因此，當(dāng)電源的輸入直流電壓在216V~400V之間時(shí)，工作周期系數(shù)D介于0.31~0.45之間。

　　計(jì)算高頻變壓器的初級(jí)電感值Lp

　　Lp=Vin(min)*Dmax/(Ipp*f)=216*0.45/(1.34*30*103)=2.4mH

　　計(jì)算出繞組面積Aw和鐵心有效面積Ae的乘積Aw*Ae,選擇鐵心尺寸。

　　如果我們只繞初級(jí)于線架上，則：

　　Aw*Ae=(6.33*Lp*Ipp*d2)*108/Bmax

　　其中：d為絕緣線的直徑，Bmax選擇為Bsat/2。

　　在反饋式變壓器中，如果初級(jí)占30%的繞組面積，則其余的70%為次級(jí)和絕緣空間，因此，Aw*Ae須再乘以3倍，為了安全起見(jiàn)，我們將其提高為4倍。因此，

　　Aw*Ae=4*(6.33*Lp*Ipp*d2)*108/Bmax

　　此式只是估算，最后鐵心和線架的選擇是可以改變的。

　　假設(shè)選擇繞組繞線的電流密度為400c.m/A，則400c.m/A*1.34A=536(c.m),我們參考美國(guó)線規(guī)(AWG)，取NO.22AWG導(dǎo)線，其值為0.028IN。我們選擇TDKH7C1材料的E-E型鐵心，它在100℃時(shí)，Bsat=3900G，Bmax=Bsat/2=1950G，可得：

　　Aw*Ae=4*(6.33*Lp*Ipp*d2)*108/Bmax=4*(6.33*2.4*103*1.34*0.0282)*108/1950=3.27cm4

　　由TDK目錄中可查得EE42*42*15的鐵心和線架Aw*Ae=1.83cm2*1.83cm2=3.33cm4，因此，我們選用此鐵心。

　　計(jì)算空氣間隙長(zhǎng)度Lg

　　在反饋式電源變壓器中，磁通只在第一象限中變化，電流磁通量不會(huì)出現(xiàn)負(fù)值。為防止變壓器飽和，可以采用大體積鐵心或在磁通路徑上使用空氣間隙，為減少電源體積，我們采用間隙法，使磁滯回路變的平坦，在相同的直流偏壓下可降低工作的磁通密度。

　　在磁通路徑上，空氣間隙會(huì)產(chǎn)生較大的磁阻，因此，變壓器所存儲(chǔ)的大部分能量是在空氣間隙中，空氣間隙體積為Vg，長(zhǎng)度為L(zhǎng)g。由，

　　1/2*Lp*Ipp2=1/2*Bmax*H*Vg*108

　　Vg=Ae*Lg

　　u0H=Bmax/(0.4*π)

　　u0：空氣磁導(dǎo)率=1

　　可得：

　　Lg=0.4*π*Lp*Ipp2*108/(Bmax2*Ae)=0.4*π*2.4*10-3*1.342*108/(19502*1.82)=0.078cm

　　因此，我們?cè)贓-E鐵心中心柱分割0.078cm的間隙。