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大咖經(jīng)驗(yàn)談:精準(zhǔn)選擇變壓器骨架及繞組線徑

發(fā)布時(shí)間:2015-01-20 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】任何的電子元器件在電路中都發(fā)揮著與眾不同且不容小覷的作用。就拿文中的變壓器為例,在電路中,變壓器做藥祈禱對(duì)電流進(jìn)行變換、隔離、穩(wěn)壓等作用。但是不同的變壓器所發(fā)揮的作用也不同。如何為電路選擇合適的變壓器?本文以正激變壓器設(shè)計(jì)中磁芯骨架的選擇作為出發(fā)點(diǎn),總結(jié)初級(jí)繞組的線徑設(shè)定。

第一個(gè)需要面對(duì)的就是變壓器骨架與磁芯的選擇,其需要考慮的因素實(shí)在太多,我們列舉其中一部分來(lái)討論下。

首先用Ap法(磁芯面積乘積法)來(lái)計(jì)算變壓器的AP值:AP=AW*Ae=(Ps*10^4)/(2ΔB*fs*J*Ku)

AW: core之窗口面積.( cm^2);
Ae: core有效截面積.( cm^2);
Ps : 變壓器傳遞視在功率( W ) Ps=Po/η+Po (正激式);
ΔB: 磁感應(yīng)增量 ( T );
fs : 變壓器工作頻率 ( HZ );
J : 電流密度 ( A )

根據(jù)散熱方式不同可取300~1000 A/cm^2;
Ku: 磁芯窗口系數(shù). 可取0.2-0.4.

對(duì)于上式Ap算法得到的值,跟實(shí)際使用的變壓器AP值相差較遠(yuǎn),所以被人廣泛詬病。其實(shí)產(chǎn)生誤差的根本原因是,上式基本上都是在工程應(yīng)用中才有優(yōu)化近似而得到的,所以有些參數(shù)是較為理想,而實(shí)際使用中很多的參數(shù)是變化的,甚至還有些分布參數(shù)在“搗亂”,所以造成了偏差,在實(shí)際使用在還要考慮到余量,所以對(duì)于計(jì)算得到的Ap值乘上一個(gè)1.5-2的系數(shù)比較合理。

其實(shí)這里的ΔB(磁感應(yīng)增量)是個(gè)比較重要的物理量,需要大家注意。ΔB表征磁芯的在電源工作時(shí),磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化范圍,ΔB=Bmax-Br,Bmax是最大磁感應(yīng)強(qiáng)度,Br剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度。

在輸入電壓與工作頻率不變的前提條件下,對(duì)于同一幅磁芯,ΔB取得越大,磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化范圍越寬,磁芯的鐵損越大,但所需要的匝數(shù)就越少,相應(yīng)的銅損就小。選用磁芯的時(shí)候,需要選擇飽和磁通密度盡量高,剩余磁通密度盡量小的磁芯,這樣可以實(shí)現(xiàn)

得到AP值之后,可能有非常多的變壓器都符合需要,這是首先需要考慮結(jié)構(gòu)尺寸的限制,特別是高度與寬度的限制。

比如EFD30與EI28的AP值同樣都是0.6cm4左右,但EFD30的高度小很多,更適合與扁平化的電源中,而EI28對(duì)于緊湊型電源則顯得更重要。其次,從降低漏感與分布電容的角度出發(fā),應(yīng)該選擇骨架寬度較寬的變壓器磁芯跟骨架,這樣單層繞線的匝數(shù)會(huì)更多,有利于降低繞線層數(shù),從而降低漏感與分布電容,關(guān)于漏感的問(wèn)題,我們?cè)诤竺嬖僬归_(kāi)討論再次,還要從通用性與經(jīng)濟(jì)性的角度來(lái)考慮,這是工程設(shè)計(jì)中無(wú)法回避的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

當(dāng)然還有安規(guī),EMI,溫升,繞法等一些問(wèn)題需要考慮。

計(jì)算好匝比之后,一般會(huì)綜合考慮次級(jí)整流管的電壓應(yīng)力,將計(jì)算的匝比調(diào)整或?qū)⒃驯热≌?,接著我們就可以通過(guò)匝比來(lái)反推電路的真實(shí)占空比范圍。

Dmax=n(Vo+Vf)/Vin(min)
Dmin=n(Vo+Vf)/Vin(max)

后面的就是要根據(jù)真實(shí)的占空比范圍來(lái)計(jì)算,這樣得到的參數(shù)才是比較合理的,接著就可以計(jì)算最大與最小的導(dǎo)通時(shí)間。

tonmax= Dmax/ fs
tonmin= Dmin/ fs

接著就能計(jì)算初級(jí)繞組的匝數(shù)了。

Np =Vin(min) ×tonmax/(ΔB×Ae)
Np:初級(jí)繞組的最少匝數(shù)
Vin(min):初級(jí)繞組的最低輸入直流電壓
tonmax:初級(jí)MOSFET的最大導(dǎo)通時(shí)間
ΔB:磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化量,正激類電源根據(jù)散熱條件,一般可以取0.2-0.3。
Ae:所選磁芯的橫截面積,一般在磁芯手冊(cè)上可以查到。

接下來(lái)計(jì)算次級(jí)匝數(shù),次級(jí)匝數(shù)Ns = Np / n,當(dāng)然得到的數(shù)值不一定是整數(shù),一般都是要四舍五入取整數(shù)匝,因?yàn)樾?shù)匝在繞線的時(shí)候工藝不好控制。

此時(shí)又會(huì)帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題,要想保持匝比不變,那么勢(shì)必要根據(jù)四舍五入之后的次級(jí)匝數(shù),反過(guò)來(lái)計(jì)算初級(jí)的最終匝數(shù),否則占空比就會(huì)發(fā)生改變, Np= Ns * n。計(jì)算的NP如果不是整數(shù)的話,也需要近似的取值,當(dāng)然會(huì)帶來(lái)匝比與占空比的輕微變化,但由于影響較小,所以一般都不需要再次去反推占空比。

同樣的,確定最終的初級(jí)匝數(shù)之后,可以反過(guò)來(lái)推算變壓器磁芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化范圍,驗(yàn)證ΔB是否在合理的范圍之內(nèi),ΔB=[Vin(min) ×Dmax×Ts] / (Np×Ae)。

得到Np之后,就可以計(jì)算出復(fù)位繞組匝數(shù)Nr,并計(jì)算出勵(lì)磁電流以及復(fù)位繞組的線徑,考慮到MOSFET的電壓應(yīng)力與變壓器的可靠復(fù)位,一般都是設(shè)Np=Nr,然后根據(jù)所選磁芯的AL值,計(jì)算出復(fù)位繞組的電感量Lr=AL*N^2,繼而計(jì)算出復(fù)位繞組的復(fù)位電流Ir=Vin(min) ×tonmax/Lr,相應(yīng)的繞組線徑也就能計(jì)算出來(lái)了。

接下來(lái)的工作就是計(jì)算初次級(jí)繞組的線徑,有一點(diǎn)需要大家注意的就是,計(jì)算線徑要以電流有效值來(lái)計(jì)算,而非電流峰值或平均值!

要計(jì)算初級(jí)繞組的線徑,首先要計(jì)算初級(jí)的峰值電流Ip = Pi / VL = Po / (η×Dmax×Vin) ,然后再計(jì)算峰值電流Iprms= Ip×√D,最后在根據(jù)電流密度來(lái)計(jì)算需要的繞組線的橫截面積,最后要根據(jù)頻率,趨膚深度與臨近效應(yīng),變壓器骨架寬度跟深度等因素來(lái)計(jì)算單根線徑的外徑。

同理次級(jí)繞組的計(jì)算方法一樣的,不同點(diǎn)就是用電流平均值來(lái)計(jì)算,Isrms=Io×√D,然后要考慮單根線徑的值,考慮因素同上。

針對(duì)正激式變壓器的骨架磁芯的選擇,以及初次級(jí)繞組的線徑,本篇文章都做了較為詳細(xì)的介紹。希望大家在閱讀過(guò)本篇文章之后能夠積累更多有關(guān)正激變壓器的設(shè)計(jì)。

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