電源高頻變壓器的設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)??/h3>
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id="cntrHits">-發(fā)表時(shí)間??011-08-31 14:32:00
電源高頻變壓器的設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介
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??/font>14A，功率為70W，電源工作頻率為30KHz??/span>
設(shè)計(jì)步驟??/span>
1、計(jì)算高頻變壓器初級(jí)峰值電??/font>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??/span>
輸入電壓??/font>Vin(min)=Lp*Ipp/Tc
??/font>1/Tc=f/Dmax，則上式為：
Vin(min)=Lp*Ipp*f/Dmax
其中： V in ??/font> 直流輸入電壓??/font>V
Lp ??/font> 高頻變壓器初級(jí)電感值，mH
Ipp ??/font> 變壓器初級(jí)峰值電流，A
Dmax??/font> 最大工作周期系??/font>
f ??/font> 電源工作頻率??/font>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??/span>
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??/span>
Ipp=Ic=2*Pout/(Vin(min)*Dmax)
其中??/font>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??/font>Dmax=0.45。則??/span>
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??/span>
2、求最小工作周期系??/font>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??/span>
Dmin=Dmax/[(1-Dmax)*k+Dmax]
其中??/font>k=Vin(max)/Vin(min)
Vin(max)=260V*1.4-0V(直流漣波)=364V，若允許10%誤差??/font>Vin(max)=400V??/span>
Vin(min)=232V，若允許7%誤差??/font>Vin(min)=216V??/span>
由此可得??/span>
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??/span>
3、計(jì)算高頻變壓器的初級(jí)電感??/font>Lp
Lp=Vin(min)*Dmax/(Ipp*f)=216*0.45/(1.34*30*103)=2.4mH
4、計(jì)算出繞組面積Aw和鐵心有效面??/font>Ae的乘??/font>Aw*Ae,選擇鐵心尺寸??/span>
如果我們只繞初級(jí)于線架上，則??/span>
Aw*Ae=(6.33*Lp*Ipp*d2)*108/Bmax
其中??/font>d為絕緣線的直徑，Bmax選擇??/font>Bsat/2??/span>
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，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??/span>
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），??/font>NO.22AWG導(dǎo)線，其值為0.028IN。我們選擇TDK H7C1材料??/font>E-E型鐵心，它在100??span style="mso-bidi-font-family: Tahoma; mso-ascii-font-family: Verdana; mso-hansi-font-family: Verdana">時(shí)，Bsat=3900G??/font>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
??/font>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??/span>
5、計(jì)算空氣間隙長(zhǎng)??/font>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??/span>
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??/font>Vg，長(zhǎng)度為Lg。由??/span>
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??/span>
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)?/font>E-E鐵心中心柱分??/font>0.078cm的間隙??/span>
6、計(jì)算變壓器初級(jí)線圈Np
Np=Lp*Ipp*108/(Ae*Bmax)=2.4*10-3*1.34*108/(1.82*1950)=90(T)
7、計(jì)算變壓器次級(jí)線圈Ns
在輸入電壓最小、工作周期最大時(shí)，計(jì)算變壓器次級(jí)線圈Ns??/span>
Vout+Vd=Vin(min)*Dmax/(1-Dmax)*Ns/Np ??/font>Vd是整流管壓降??/span>
Ns=Np*(Vp+Vd)*(1-Dmax)/(Vin(min)*Dmax)
=90*(5+1)*(1-0.45)/(232*0.45)
=2.84(T)
取整數(shù)為3圈??/span>
電源輸入電流??/font>14A??/font>400c.m/A*14A=5600(c.m)，考慮到集膚效應(yīng)和生產(chǎn)作業(yè)方便，我們采??/font>1400c.m??/font>4條線并聯(lián)聯(lián)使用，AWG NO??/font>18即可??/span>
高頻變壓??/a>的設(shè)計(jì)方法很多，希望此例對(duì)大家有所幫助??/span>
電源高頻變壓器的設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介
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??/font>14A，功率為70W，電源工作頻率為30KHz??/span>
設(shè)計(jì)步驟??/span>
1、計(jì)算高頻變壓器初級(jí)峰值電??/font>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??/span>
輸入電壓??/font>Vin(min)=Lp*Ipp/Tc
??/font>1/Tc=f/Dmax，則上式為：
Vin(min)=Lp*Ipp*f/Dmax
其中： V in ??/font> 直流輸入電壓??/font>V
Lp ??/font> 高頻變壓器初級(jí)電感值，mH
Ipp ??/font> 變壓器初級(jí)峰值電流，A
Dmax??/font> 最大工作周期系??/font>
f ??/font> 電源工作頻率??/font>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??/span>
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??/span>
Ipp=Ic=2*Pout/(Vin(min)*Dmax)
其中??/font>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??/font>Dmax=0.45。則??/span>
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??/span>
2、求最小工作周期系??/font>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??/span>
Dmin=Dmax/[(1-Dmax)*k+Dmax]
其中??/font>k=Vin(max)/Vin(min)
Vin(max)=260V*1.4-0V(直流漣波)=364V，若允許10%誤差??/font>Vin(max)=400V??/span>
Vin(min)=232V，若允許7%誤差??/font>Vin(min)=216V??/span>
由此可得??/span>
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??/span>
3、計(jì)算高頻變壓器的初級(jí)電感??/font>Lp
Lp=Vin(min)*Dmax/(Ipp*f)=216*0.45/(1.34*30*103)=2.4mH
4、計(jì)算出繞組面積Aw和鐵心有效面??/font>Ae的乘??/font>Aw*Ae,選擇鐵心尺寸??/span>
如果我們只繞初級(jí)于線架上，則??/span>
Aw*Ae=(6.33*Lp*Ipp*d2)*108/Bmax
其中??/font>d為絕緣線的直徑，Bmax選擇??/font>Bsat/2??/span>
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，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??/span>
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），??/font>NO.22AWG導(dǎo)線，其值為0.028IN。我們選擇TDK H7C1材料??/font>E-E型鐵心，它在100??span style="mso-bidi-font-family: Tahoma; mso-ascii-font-family: Verdana; mso-hansi-font-family: Verdana">時(shí)，Bsat=3900G??/font>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
??/font>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??/span>
5、計(jì)算空氣間隙長(zhǎng)??/font>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??/span>
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??/font>Vg，長(zhǎng)度為Lg。由??/span>
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??/span>
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)?/font>E-E鐵心中心柱分??/font>0.078cm的間隙??/span>
6、計(jì)算變壓器初級(jí)線圈Np
Np=Lp*Ipp*108/(Ae*Bmax)=2.4*10-3*1.34*108/(1.82*1950)=90(T)
7、計(jì)算變壓器次級(jí)線圈Ns
在輸入電壓最小、工作周期最大時(shí)，計(jì)算變壓器次級(jí)線圈Ns??/span>
Vout+Vd=Vin(min)*Dmax/(1-Dmax)*Ns/Np ??/font>Vd是整流管壓降??/span>
Ns=Np*(Vp+Vd)*(1-Dmax)/(Vin(min)*Dmax)
=90*(5+1)*(1-0.45)/(232*0.45)
=2.84(T)
取整數(shù)為3圈??/span>
電源輸入電流??/font>14A??/font>400c.m/A*14A=5600(c.m)，考慮到集膚效應(yīng)和生產(chǎn)作業(yè)方便，我們采??/font>1400c.m??/font>4條線并聯(lián)聯(lián)使用，AWG NO??/font>18即可??/span>
高頻變壓??/a>的設(shè)計(jì)方法很多，希望此例對(duì)大家有所幫助??/span>
