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      高頻變壓器設計與應用

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      【摘要】:
      高頻變壓器應用與設計;高頻變壓器也叫脈沖變壓器,是工作頻率超過中頻(10kHz)的電源變壓器,主要有開關電源高頻變壓器和逆變電源高頻變壓器。按工作頻率高低,可分為幾個檔次:10kHz- 50kHz、50kHz-100kHz、100kHz~500kHz、500kHz~1MHz、1MHz以上。

        高頻變壓器應用與設計 ; 高頻變壓器也叫脈沖變壓器,是工作頻率超過中頻(10kHz)的電源變壓器,主要有開關電源高頻變壓器和逆變電源高頻變壓器。按工作頻率高低,可分為幾個檔次:10kHz- 50kHz、50kHz-100kHz、100kHz~500kHz、500kHz~1MHz、1MHz以上。

        一.高頻變壓器應用

        典型的半橋式變壓電路中最為顯眼的是三只高頻變壓器:功率變壓器、驅動變壓器和輔助變壓器,每種高頻變壓器在國家規定中都有各自的衡量標準,比如功率變壓器,只要是200W以上的電源,其磁芯直徑不得小于35mm。而輔助變壓器,在電源功率不超過300W時磁芯直徑16mm就夠了。高頻變壓器是非標器件,所以一般不選用,只能設計。

       

        例如:做一個12V2A的電源怎樣選取高頻變壓器?

        首先,根據工作頻率、電路拓撲和輸出功率利用公式或者經驗來選擇高頻變壓器磁芯的類型,及磁芯的大小規格、有時還要考慮工作環境(例如溫度、使用場合、是否密封等),一般是反激電路、60KHZ左右頻率,用EE25或者EE28就可以了。逆變頻率達到120KHz,必須使用材質比較好的鐵芯,比如鐵硅鋁磁芯。首先要看要制作的產品的形狀,比如環形變壓器或是EI型變壓器等等。確定使用的變壓器類型后,先計算出變壓器的總視在功率Pt. 根據總負載功率,計算出磁芯面積乘積AP,然后根據AP數值就可以查找出所用的磁芯型號了。依據磁芯型號的參數就可以計算出初級繞組圈數、電流。然后根據初級匝數、輸入輸出電壓、占空比計算次級和偏置匝數及線徑。接下來就是調試和調整啦??梢哉9ぷ鞯母哳l變壓器參數有很多種,但最佳狀態只有一個,計算是先讓其工作,調整就是尋找最佳狀態啦。

        高頻變壓器應用廣泛;例如:手機充電器,電子鎮流器,開關電源,彩電電源,電腦電源,液晶驅動及電源等都會用到高頻變壓器。相對于低頻變壓器而言,高頻變壓器可減小空間(變壓器體積小),提高工作效率的。高頻變壓器的主要作用就是能量的傳遞或能量的儲存,這要看開關電源的工作模式。正激式是作能量傳遞,反激式是作能量的儲存及傳遞。當然,還有隔離和變比之類的作用。就拿傳遞能量來說,舉個列子,一只老鼠和一只大象搬運東西,大象雖然運得多,但是速度慢,而老鼠最然運得少,但是速度快,所以同樣多的東西,只要速度夠快,體積小點同樣也可以完成。這就是變壓器高頻化可以減小變壓器體積的原因。所有高頻變壓器應用都是將電能轉化為磁能,然后把磁能轉換為電能,同時利用匝比的關系得到需要的電壓。

        二.高頻變壓器參數設計

        一、電磁學計算公式推導:

        1、磁通量與磁通密度相關公式:

        Ф= B * S⑴

        Ф-----磁通(韋伯)

        B -----磁通密度(韋伯每平方米或高斯) 1韋伯每平方米=104高斯

        S -----磁路的截面積(平方米)

        B = H *μ⑵

        μ-----磁導率(無單位也叫無量綱)

        H -----磁場強度(伏特每米)

        H = I*N / l⑶

        I -----電流強度(安培)

        N -----線圈匝數(圈T)

        l -----磁路長路(米)

        2、電感中反感應電動勢與電流以及磁通之間相關關系式:

        EL =⊿Ф/⊿t * N⑷

        EL =⊿i /⊿t * L⑸

        ⊿Ф-----磁通變化量(韋伯)

        ⊿i -----電流變化量(安培)

        ⊿t -----時間變化量(秒)

        N -----線圈匝數(圈T)

        L -------電感的電感量(亨)

        由上面兩個公式可以推出下面的公式:

        ⊿Ф/⊿t * N =⊿i /⊿t * L變形可得:

        N =⊿i * L/⊿Ф

        再由Ф= B * S可得下式:

        N =⊿i * L / ( B * S )⑹

        且由⑸式直接變形可得:

        ⊿i = EL *⊿t / L⑺

        聯合⑴⑵⑶⑷同時可以推出如下算式:

        L =(μ* S )/ l * N2⑻

        這說明在磁芯一定的情況下電感量與匝數的平方成正比(影響電感量的因素)

        3、電感中能量與電流的關系:

        QL = 1/2 * I2 * L⑼

        QL --------電感中儲存的能量(焦耳)

        I --------電感中的電流(安培)

        L -------電感的電感量(亨)

        4、根據能量守恒定律及影響電感量的因素和聯合⑺⑻⑼式可以得出初次級匝數比與占空比的關系式:

        N1/N2 = (E1*D)/(E2*(1-D))⑽

        N1 --------初級線圈的匝數(圈) E1 --------初級輸入電壓(伏特)

        N2 --------次級電感的匝數(圈) E2 --------次級輸出電壓(伏特)

        二、根據上面公式計算變壓器參數:

        1、高頻變壓器輸入輸出要求:

        輸入直流電壓:200--- 340 V

        輸出直流電壓:23.5V

        輸出電流:2.5A * 2

        輸出總功率:117.5W

        2、確定初次級匝數比:

        次級整流管選用VRRM =100V正向電流(10A)的肖特基二極管兩個,若初次級匝數比大則功率所承受的反壓高匝數比小則功率管反低,這樣就有下式:

        N1/N2 = VIN(max) / (VRRM * k / 2)⑾

        N1 -----初級匝數VIN(max) ------最大輸入電壓k -----安全系數

        N2 -----次級匝數Vrrm ------整流管最大反向耐壓

        這里安全系數取0.9

        由此可得匝數比N1/N2 = 340/(100*0.9/2)≌7.6

        3、計算功率場效應管的最高反峰電壓:

        Vmax = Vin(max) + (Vo+Vd)/ N2/ N1⑿

        Vin(max) -----輸入電壓最大值Vo -----輸出電壓

        Vd -----整流管正向電壓

        Vmax = 340+(23.5+0.89)/(1/7.6)

        由此可計算功率管承受的最大電壓: Vmax≌525.36(V)

        4、計算PWM占空比:

        由⑽式變形可得:

        D = (N1/N2)*E2/(E1+(N1 /N2*E2)

        D=(N1/N2)*(Vo+Vd)/Vin(min)+N1/N2*(Vo+Vd)⒀

        D=7.6*(23.5+0.89)/200+7.6*(23.5+0.89)

        由些可計算得到占空比D≌0.481

        5、算變壓器初級電感量:

        為計算方便假定變壓器初級電流為鋸齒波,也就是電流變化量等于電流的峰值,也就是理想的認為輸出管在導通期間儲存的能量在截止期間全部消耗完。那么計算初級電感量就可以只以PWM的一個周期來分析,這時可由⑼式可以有如下推導過程:

        (P/η)/ f = 1/2 * I2 * L⒁

        P -------電源輸出功率(瓦特)η----能量轉換效率f ---- PWM開關頻率將⑺式代入⒁式:

        (P/η)/ f = 1/2 * (EL *⊿t / L)2 * L⒂

        ⊿t = D / f (D ----- PWM占空比)

        將此算式代入⒂式變形可得:

        L = E2 * D2 *η/ ( 2 * f * P )⒃

        這里取效率為85%,PWM開關頻率為60KHz.

        在輸入電壓最小的電感量為:

        L=2002* 0.4812 * 0.85 / 2 * 60000 * 117.5

        計算初級電感量為: L1≌558(uH)

        計算初級峰值電流:

        由⑺式可得:

        ⊿i = EL *⊿t / L = 200 * (0.481/60000 )/ (558*10-6)

        計算初級電流的峰值為: Ipp≌2.87(A)

        初級平均電流為:I1 = Ipp/2/(1/D) = 0.690235(A)

        6、計算初級線圈和次級線圈的匝數:

        磁芯選擇為EE-42(截面積1.76mm2)磁通密度為防治飽和取值為2500高斯也即0.25特斯拉,這樣由⑹式可得

        初級電感的匝數為:

        N1=⊿i * L / ( B * S ) = 2.87 * (0.558*10-3)/0.25*(1.76*10-4)

        計算初級電感匝數: N1≌36 (匝)

        同時可計算次級匝數:N2≌5 (匝)

        7、計算次級線圈的峰值電流:

        根據能量守恒定律當初級電感在功率管導通時儲存的能量在截止時在次級線圈上全部釋放可以有下式:

        由⑻⑼式可以得到:

        Ipp2=N1/N2* Ipp⒄

        Ipp2 = 7.6*2.87

        由此可計算次級峰值電流為:Ipp2 = 21.812(A)

        次級平均值電流為I2=Ipp2/2/(1/(1-D))= 5.7(A)

        8、計算激勵繞組(也叫輔助繞組)的匝數:

        因為次級輸出電壓為23.5V,激勵繞組電壓取12V,所以為次級電壓的一半

        由此可計算激勵繞組匝數為: N3≌N2 / 2≌3 (匝)

        激勵繞組的電流取: I3 = 0.1(A)

       

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