高频变压器设计程序 : 1. 磁芯材料 2. 磁芯结构 3. 磁芯参数 4. 线圈参数 5. 组装结构 6. 温升校核

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优拒游
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1 变压器基础知识 1 变压器组成: 原边 ( 初级 primary side ) 绕组副边绕组 ( 次级 secondary side ) 原边电感 ( 励磁电感 )--magnetizing inductance 漏感 ---leakage inductance 副边开路或者短路测量原边电感分别得励磁电感和漏感匝数比 :K= K=Np Np/Ns=V1/V2 2 变压器的构成以及作用 : 1) 电气隔离 2) 储能 3) 变压 4) 变流

2 高频变压器设计程序 : 1. 磁芯材料 2. 磁芯结构 3. 磁芯参数 4. 线圈参数 5. 组装结构 6. 温升校核

3 1. 磁芯材料软磁铁氧体由于自身的特点在开关电源中应用很广泛其优点是电阻率高交流涡流损耗小, 价格便宜, 易加工成各种形状的磁芯缺点是工作磁通密度低, 磁导率不高, 磁致伸缩大, 对温度变化比较敏感选择哪一类软磁铁氧体材料更能全面满足高频变压器的设计要求, 进行认真考虑, 才可以使设计出来的变压器达到比较理想的性能价格比

4 2. 磁芯结构选择磁芯结构时考虑的因数有 : 降低漏磁和漏感, 增加线圈散热面积, 有利于屏蔽, 线圈绕线容易, 装配接线方便等漏磁和漏感与磁芯结构有直接关系如果磁芯不需要气隙, 则尽可能采用封闭的环形和方框型结构磁芯

6 3. 磁芯参数 : 磁芯参数设计中, 要特别注意工作磁通密度不只是受磁化曲线限制, 还要受损耗的限制, 同时还与功率传送的工作方式有关磁通单方向变化时 :ΔB=Bs-Br B=Bs-Br, 既受饱和磁通密度限制, 又更主要是受损耗限制,( 损耗引起温升, 温升又会影响磁通密度 ) 工作磁通密度 Bm=0.6 =0.6~ ΔB 开气隙可以降低 Br, 以增大磁通密度变化值 ΔB, 开气隙后, 励磁电流有所增加, 但是可以减小磁芯体积对于磁通双向工作而言 : 最大的工作磁通密度 Bm,ΔB=2Bm B=2Bm 在双方向变化工作模式时, 还要注意由于各种原因造成励磁的正负变化的伏秒面积不相等, 而出现直流偏磁问题可以在磁芯中加一个小气隙, 或者在电路设计时加隔直流电容

8 4. 线圈参数 : 线圈参数包括 : 匝数, 导线截面 ( 直径 ), 导线形式, 绕组排列和绝缘安排导线截面 ( 直径 ) 决定于绕组的电流密度通常取 J 为 2.5~4A/mm 2 导线直径的选择还要考虑趋肤效应如必要, 还要经过变压器温升校核后进行必要的调整

9 4. 线圈参数 : 一般用的绕组排列方式 : 原绕组靠近磁芯, 副绕组反馈绕组逐渐向外排列下面推荐两种绕组排列形式 : 1) 如果原绕组电压高 ( 例如 220V), 副绕组电压低, 可以采用副绕组靠近磁芯, 接着绕反馈绕组, 原绕组在最外层的绕组排列形式, 这样有利于原绕组对磁芯的绝缘安排 ; 2) 如果要增加原副绕组之间的耦合, 可以采用一半原绕组靠近磁芯, 接着绕反馈绕组和副绕组, 最外层再绕一半原绕组的排列形式, 这样有利于减小漏感

10 5. 组装结构 : 高频电源变压器组装结构分为卧式和立式两种如果选用平面磁芯片式磁芯和薄膜磁芯, 都采用卧式组装结构 6. 温升校核 : 温升校核可以通过计算和样品测试进行实验温升低于允许温升 15 度以上, 适当增加电流密度和减小导线截面, 如果超过允许温升, 适当减小电流密度和增加导线截面, 如增加直径, 窗口绕不下, 要加大磁芯, 增加磁芯的散热面积

11 功率变压器根据拓扑结构分为三大类 : (1) 反激式变压器 ; (2) 正激式变压器 ; (3) 推挽式变压器 ( 全桥 / 半桥变换器中的变压器 ) 磁芯结构适合的拓扑结构形式如下页表所示 :

12 变换器电路类型磁芯结构反激式正激式推挽式 E cores 0 Planar E Cores - 0 EFD Cores - ETD Cores 0 ER Cores 0 U Cores 0 0 RM Cores 0 0 EP Cores - 0 P Cores - 0 Ring Cores - = 适合 ; 0 = 一般 ; - = 不适合

13 磁芯材料的选择应注意的问题 : 1 软磁铁氧体, 由于具有价格低适应性能和高频性能好等特点, 而被广泛应用于开关电源中 2 软磁铁氧体, 常用的分为锰锌铁氧体和镍锌铁氧体两大系列, 锰锌铁氧体的组成部分是 Fe2O3,MnCO3,ZnO, 它主要应用在 1MHz 以下的各类滤波器电感器变压器等, 用途广泛而镍锌铁氧体的组成部分是 Fe2O3,NiO,ZnO 等, 主要用于 1MHz 以上的各种调感绕组抗干扰磁珠共用天线匹配器等 3 在开关电源中应用最为广泛的是锰锌铁氧体磁心, 而且视其用途不同, 材料选择也不相同用于电源输入滤波器部分的磁心多为高导磁率磁心, 其材料牌号多为 R4K~R10K, 即相对磁导率为 4000~10000 左右的铁氧体磁心, 而用于主变压器输出滤波器等多为高饱和磁通密度的磁性材料, 其 Bs 为 0.5T( 即 5000GS) 左右

14 开关电源用铁氧体磁性材应满足以下要求 : (1) 具有较高的饱和磁通密度 Bs 和较低的剩余磁通密度 Br 磁通密度 Bs 的高低, 对于变压器和绕制结果有一定影响从理论上讲,Bs 高, 变压器绕组匝数可以减小, 铜损也随之减小在实际应用中, 开关电源高频变换器的电路形式很多, 对于变压器而言, 其工作形式可分为两大类 : 1) 双极性 : 电路为半桥全桥推挽等变压器一次绕组里正负半周励磁电流大小相等, 方向相反, 因此对于变压器磁心里的磁通变化, 也是对称的上下移动,B 的最大变化范围为 B=2Bm, 磁心中的直流分量基本抵消 2) 单极性 : 电路为单端正激单端反激等, 变压器一次绕组在 1 个周期内加上 1 个单向的方波脉冲电压 ( 单端反激式如此 ) 变压器磁心单向励磁, 磁通密度在最大值 Bm 到剩余磁通密度 Br 之间变化, 这时的 B=Bm-Br, 若减小 Br, 增大饱和磁通密度 Bs, 可以提高 B, 降低匝数, 减小铜耗

15 变压器或者电感根据在拓扑结构中的工作方式分为三大类 :1 直流滤波电感工作状态, 电感磁芯只工作在一个象限属于这类工作状态的电感有 Boost 电感 Buck 电感 Buck/boost 电感正激以及所有推挽拓扑变换器输出滤波电感输出滤波电感单端反激变换器变压器 ; 2 正激变换器中的变压器, 磁芯也只工作在一个象限, 但变压器要进行磁复位 3 推挽拓扑中的变压器, 磁芯是双向交变磁化, 属于这类的变换器有推挽变换器半桥和全桥变换器交流滤波电感等

16 (2) 在高频下具有较低的功率损耗铁氧体的功率损耗, 不仅影响电源输出效率, 同时会导致磁心发热, 波形畸变等不良后果变压器的发热问题, 在实际应用中极为普遍, 它主要是由变压器的铜损和磁心损耗引起的如果在设计变压器时,Bm 选择过低, 绕组匝数过多, 就会导致绕组发热, 并同时向磁心传输热量, 使磁心发热反之, 若磁心发热为主体, 也会导致绕组发热选择铁氧体材料时, 要求功率损耗随温度的变化呈负温度系数关系这是因为, 假如磁心损耗为发热主体, 使变压器温度上升, 而温度上升又导致磁心损耗进一步增大, 从而形成恶性循环, 最终将使功率管和变压器及其他一些元件烧毁因此国内外在研制功率铁氧体时, 必须解决磁性材料本身功率损耗负温度系数问题, 这也是电源用磁性材料的一个显著特点, 日本 TDK 公司的 PC40 及国产的 R2KB 等材料均能满足这一要求

17 (3) 适中的磁导率相对磁导率究竟选取多少合适呢? 这要根据实际线路的开关频率来决定, 一般相对磁导率为 2000 的材料, 其适用频率在 300kHz 以下, 有时也可以高些, 但最高不能高于 500kHz 对于高于这一频段的材料, 应选择磁导率偏低一点的磁性材料, 一般为 1300 左右 (4) 较高的居里温度居里温度是表示磁性材料失去磁特性的温度, 一般材料的居里温度在 200 以上, 但是变压器的实际工作温度不应高于 80, 这是因为在 100 以上时, 其饱和磁通密度 Bs 已跌至常温时的 70% 因此过高的工作温度会使磁心的饱和磁通密度跌落的更严重再者, 当高于 100 时, 其功耗已经呈正温度系数, 会导致恶性循环对于 R2KB2 材料, 其允许功耗对应的温度已经达到 110, 居里温度高达 240, 满足高温使用要求

18 变压器的设计原则及方法设计变压器主要有很两种方法 : 面积积 AP 法 AP: 磁芯截面积 Ae 与线圈有效窗口面积 Aw 的乘积 PT- 变压器的计算功率 Ae- 磁芯有效截面积 Aw- 磁芯窗口面积 Ko- 磁芯窗口利用系数, 典型值为 0.4 Kf- 波形系数, 方波为 4,, 正弦波为 4.44 Bw- 磁芯的工作磁感强度 Fs- 开关工作频率 Kj- 电流密度系数, 取 395A/cm 2 X- 磁芯结构系数,P107 表

19 按照功率变压器的设计方法, 用面积积 AP 法设计变压器的一般步骤 : 1. 选择磁芯材料, 计算变压器的视在功率 ; 2. 确定磁芯截面尺寸 AP, 根据 AP 值选择磁芯尺寸 ; 3. 计算原副边电感量及匝数 ; 4. 计算空气隙的长度 ; 5. 根据电流密度和原副边有效值电流求线径 ; 6. 求铜损和铁损是否满足要求 ( 比如 : 允许损耗和温升 )

20 电源的基本参数如右 : 选择反激拓扑 1. 选择磁芯材料, 确定变压器的视在功率 P T ; 考虑成本因数在此选择 PC40 材质, 查 PC40 资料得 B s =0.39T B r =0.06T Bmax = Bs Br = 0.39T 0.06T = 0.33T 为了防止磁芯的瞬间出现饱和, 预留一定裕量, 取 Bm= ΔB max max *0.6=0.198T 取 0.2T

21 变压器视在功率 P T : 对于反激拓扑来说, Pout (21 1)*3 PT = Pin Pout = Pout = (21 1)*3 = W η 计算 AP ( 用 Excel 表格来计算 AP 值 ) 式中 : 4 PT *10 4 AP = = 0.783cm B * f *1000* J * K m s u J 电流密度, 通常取 395A/cm 2 ; Ku 是铜窗有效使用系数, 根据安规要求和输出路数决定, 一般取 0.2~ 在此计算取

22 根据上图, 选择大于计算 AP 值的磁芯 EE3528, 相关参数是 : Ae:84.8mm 2 AP:1.3398cm 4 Wa:158mm 2 AL:2600nH/H

23 反为了适应突变的负载电流, 把电源设计在临界模式 : 临界电流 I 0B =0.8 I 0 =2.4A 3. 计算原副边电感量及匝数

24 原副边峰值电流原副边及辅助绕组的匝数

25 为了避免磁芯饱和, 在磁回路中加入一个适当的气隙, 计算如下 : 4A/mm 2 ) l g = 0.4 Π * N * A * p e L p * * * = = * Irms *0.77 Axp = = 0.731*10 J m m 可能要用气隙磁通边缘效应校正匝数 5. 原副边及辅助绕组的线径有两种方法 :1 求裸线面积 ; 2 求导线直径 (J 电流密度取 I prms dwp = 1.13* = 0.346mm J 用两根直径为 0.18mm 线并绕, 或者用 AWG #28 单股线 cm

26 次级线径 : d 1.13* 0 wp = = 1.0 I J mm 用 4 根直径为 0.25mm(AWG #31) 的线并绕电流趋肤深度的计算 ς = 76.5* f *1000 = 0.31mm d WH s = ς * 2*0.9 = 0.558mm 多股线并绕时的线径必须小于或等于 dwh, 单线绕制时, 线径如果超过 dwh 值就要考虑采用多股线并绕

27 6. 计算铜损 P cu 和铁损 P fe ( 变压器总损耗 P loss ) a) 原边和副边绕组损耗其中,MLT 为磁芯的平均匝长 µ Ω Rp = ( MLT )* N * *10 cm P = I * R * D 2 pcu pav p 6 µ Ω 6 Rs = ( MLT )* N * *10 cm P = I * R *(1 D) = I * R 2 2 scu sav s out s P = P P cu pcu scu

28 b) 计算在效率 η 下允许的总损耗 Ploss 和允许铁损耗 c) 根据铁芯损耗曲线求工作下实际发生的损耗 : 单位重量铁损 : 实际发生的铁损 : P out loss = fe loss cu P = 0.262*10 * f * B fe fe P 包括二极管 /MOS 管等损耗实际的 P 肯定要比计算出来的 P P = P P P η out P mw = * Wtfe *10 gm loss fe m 实际发生的铁损应该小于允许铁损耗 3 是整个电路的损耗, 要小很多, 这里只是作参考而 mw gm

29 d) 计算单位面积损耗值 Φ=P loss /As 若 Φ 值引起的温升小于 25 度, 设计通过 7. 计算 B w 工作磁通密度 Bw 应该在设计指标要求之内,Bw Bw<Bs-Br, 以避免磁芯出现饱和

Material

东磁 MnZn 铁氧体材料主要应用 Application Area Frequency Range Material Main Features μi Bs Bs 1 Pcv Pcv 1 Tc( ) 28