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开关电源变压器绕组设计方法

发布时间:2021.07.23 15:42 浏览次数:99
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高频变压器绕组是开关电源中非常重要的部件,它和普通电源变压器一样也是通过磁耦合来传输能量的。不过在开关电源中变压器绕组实现磁耦合的磁路不是普通工频变压器中的硅钢片,而是磁导率较高的铁氧体磁心或铍莫合金等磁性材料,其目的是为了获得较大的励磁电感、减小磁路中的功率损耗,使之能以最小的损耗和相位失真传输具有宽频带的脉冲能量。高频变压器的设计是开关电源的关键技术,在半桥式、全桥式和推挽式开关电源中,高频变压器通过的是交变的电流,不会有直流磁化的问题,设计方法和普通工频变压器基本相同,只是采用的磁芯材料不同,设计起来相对比较简单。正激式开关电源的高频变压器与全桥式有相同之处,但会有直流磁化问题,设计起来要复杂一些。因此有时会在高频变压器中增加去磁绕组,以降低设计的难度。反激式开关电源在小功率开关电源中应用最普及,但其高频变压器的设计也最为复杂。
反激式开关电源的高频变压器绕组相当于一只储能电感,在固定的开关频率下,其储存的能量大小直接影响开关电源的输出功率。在设计反激式开关电源的高频变压器绕组时,需要注意以下几个问题:
1.计算一次电感量Lp
2.选择磁芯与骨架
3.计算一次绕组匝数Np
4.计算二次绕组匝数Ns
5.计算气隙间距
6.检验最大磁通密度Bm
7.漏感要小
8.要考虑温度影响
首先要根据一次绕组的峰值电流和开关电源的输出功率来计算一次绕组的电感量;然后是选择磁芯与骨架并确定相关参数;接下来依据选定的磁芯截面积和磁路长度等参数计算一次绕组匝数Np,在根据一次绕组和二次绕组的比值计算二次绕组的匝数Ns。为了防止高频变压器出现磁饱和,通常需要在磁芯中加入空气间隙,还需要根据一次电感量Lp和所选用磁芯参数计算空气间隙的长度;最后还要根据峰值电流、一次绕组匝数和磁芯参数计算最大磁通密度,检验是否满足磁芯材料的要求。在部分条件不能满足时,要重新选择磁芯和骨架,再进行计算和检验,直到满足设计要求为止。
开关电源的工作频率较高,要求磁心材料在工作频率下的功率损耗应尽可能小,随着工作温度的升高,饱和磁通密度的降低应尽量小。在设计和选用磁心材料时,除了关心其饱和磁通密度、损耗等常规参数外,还要特别注意它的温度特性。一般应按实际的工作温度来选择磁通密度的大小,一般铁氧体磁心的Bm值易受温度影响,按开关电源工作环境温度为40℃考虑,磁心温度可达60~80℃,一般选择Bm=0.2~0.4T,即2000~4000GS。
最后要说明的是: 绕制高频变压器绕组是制作开关电源的重要工作,也是设计与制作过程中消耗大量时间和主要精力的工作。高频变压器做得好,整个设计与制作工作就完成了70%以上。做得不好,可能就会出现停振、啸叫或输出电压不稳、负载能力不高等现象。在变压器的温升<35℃,绕制良好的脉冲变压器的工作效率可达到90%以上,且波形质量优异,电性能参数稳定。在100kHz的使用条件下,脉冲变压器的体积可以大大减小。绕制变压器时,要尽最大的努力保证以下几点:
1.即使输入电压最大,主开关器件导通时间最长,也不至于使变压器的磁芯饱和;
2.初级线圈与次级线圈的耦合要好,漏电感要小;
3.高频开关变压器会因集肤效应导致电线的电阻值增大,因而要减小电流密度。通常,工作时的最大磁通密度取决于次级线圈。
4.一般来说,采用铁氧体磁芯EI28时,要把Bm控制在3kGs以下

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