38kHz/375W開關(guān)電源變壓器的設(shè)計
關(guān)鍵詞:開關(guān)電源變壓器;磁芯的選擇;磁感應(yīng)強度;趨膚效應(yīng);中間抽頭
0 引言
隨著電子技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展,開關(guān)電源SMPS(switch mode power supply)作為各種電子設(shè)備、信息設(shè)備的電源部分,更加要求效率高、成本小、體積小、重量輕、具有可移動性和能夠模塊化。變壓器作為開關(guān)電源的必不可少的磁性元件,對其進(jìn)行合理優(yōu)化的設(shè)計顯得非常重要。在高頻開關(guān)電源的設(shè)計中,真止難以把握的是磁路部分的設(shè)計,開關(guān)電源變壓器作為磁路部分的核心元件,不但需要滿足上述的要求,還要求它性能高,對外界干擾小。由于它的復(fù)雜性,對其設(shè)計一、兩次往往不容易成功,一般需要多次的計算和反復(fù)的試驗。因此,要提高設(shè)計的效果,設(shè)汁者必須有較高的理論知識和豐富的實踐經(jīng)驗。
1 開關(guān)電源變換器的性能指標(biāo)
開關(guān)電源變換器的部分原理圖如圖1所示。
其主要技術(shù)參數(shù)如下:
電路形式 半橋式;
整流形式 全波整流;
工作頻率 f=38kHz;
變換器輸入直流電壓 Ui=310V;
變換器輸出直流電壓 Ub=14.7V;
輸出電流 Io=25A;
工作脈沖的占空度 D=0.25~O.85;
轉(zhuǎn)換效率 η≥85%;
變壓器允許溫升 △τ=50℃;
變換器散熱方式 風(fēng)冷;
工作環(huán)境溫度 t=45℃~85℃。
2 變壓器磁芯的選擇以及工作磁感應(yīng)強度的確定
2.1 變壓器磁芯的選擇
目前,高頻開關(guān)電源變壓器所用的磁芯材料一般有鐵氧體、坡莫合金材料、非晶合金和超微晶材料。這些材料中,坡莫合金價格最高,從降低電源產(chǎn)品的成本方面來考慮不宜采用。非晶合金和超微晶材料的飽和磁感應(yīng)強度雖然高,但在假定的測試頻率和整個磁通密度的測試范圍內(nèi),它們呈現(xiàn)的鐵損最高,因此,受到高功率密度和高效率的制約,它們也不宜采用。雖然鐵氧體材料的損耗比坡莫合金大些,飽和磁感應(yīng)強度也比非晶合金和超微晶材料低,但鐵氧體材料價格便宜,可以做成多種幾何形狀的鐵芯。對于大功率、低漏磁變壓器設(shè)計,用E-E型鐵氧體鐵芯制成的變壓器是最符合其要求的,而且E-E型鐵芯很容易用鐵氧體材料制作。所以,綜合來考慮,變換器的變壓器磁芯選擇功率鐵氧體材料,E-E型。
2.2 工作磁感應(yīng)強度的確定
工作磁感應(yīng)強度Bm是開關(guān)電源變壓器設(shè)計中的一個重要指標(biāo),它與磁芯結(jié)構(gòu)形式、材料性能、工作頻率及輸出功率的因素有關(guān)關(guān)。若工作磁感應(yīng)強度選擇太低,則變壓器體積重量增加,匝數(shù)增加,分布參數(shù)性能惡化;若工作磁感應(yīng)強度選擇過高,則變壓器溫升高,磁芯容易飽和,工作狀態(tài)不穩(wěn)定。一般情況下,開關(guān)電源變壓器的Bm值應(yīng)選在比飽和磁通密度Bs低一些,對于鐵氧體材料,工作磁感應(yīng)強度選取一般在0.16T到0.3T之間。在本設(shè)計中,根據(jù)特定的工作頻率、溫升、工作環(huán)境等因素,把工作磁感應(yīng)強度定在0.2 T。
3 變壓器主要設(shè)計參數(shù)的計算
3.1 變壓器的計算功率
開關(guān)電源變壓器工作時對磁芯所需的功率容量即為變壓器的計算功率,其大小取決于變壓器的輸出功率和整流電路的形式。變換器輸出電路為全波整流,因此
式中:Pt為變壓器的計算功率,單位為W;
Po為變壓器的輸出功率,單位為W;
3.2 磁芯設(shè)計輸出能力的確定
磁芯材料確定后,磁芯面積的乘積反映了變壓器輸出功率的能力。其磁芯面積為
式中:Ap為磁芯截面積乘積,單位為cm4;
Ac為磁芯截面積,單位為cm2;
Am為磁芯窗口截面積,單位為cm2;
Bm為磁芯工作磁感應(yīng)強度,單位為T;
Kw為窗口占空系數(shù)取0.2;
Kj為電流密度系數(shù)(溫升為50℃時,E形磁芯取534)。
3.3 磁芯的實際輸出能力
在磁芯工作狀態(tài)確定后,選擇的磁芯結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)稍大于Ap值。因為該變壓器的散熱方式是風(fēng)扇冷卻,磁芯的實際輸出能力至少應(yīng)大于設(shè)計輸出能力的10%,若散熱方式是自動冷卻,則要求實際輸出能力比設(shè)計輸出能力大更多。查相關(guān)手冊,找到符合本設(shè)計要求的E型磁芯的規(guī)格為E42C,尺寸為a=4.2 cm,b=2.11 cm,c=2 cm,d=1.2 cm,e=2.95 cm,f=153 cm。
其實際輸出能力為
由此可見,Ap’大于Ap(1+10%)=3.48x(1+10%)=3.83 cm4,因此,所選磁芯符合要求。
式中:k為鐵的占空系數(shù),取k=O.6。
3.4 繞組匝數(shù)的計算
因為變換器的電路形式為半橋式,所以變壓器的初級電壓Up=Ui/2=310/2=155 V。在該變換器中滿載電流25 A比較大,整流管和濾波電感上的壓降不可忽視,本變換器所用的整流二極管的壓降在25A電流下約為2.5V,濾波電感的直流壓降取0.5V;另外,變換器滿載工作時會把電壓拉低,為避免把工作脈沖的占空比拉到最大時電壓電流仍然達(dá)不到要求,變壓器次級電壓要有一定的裕度,一般取變換器輸出電壓的30%;所以,變壓器的次級電壓Us=147+2.5+O5+14.730%=22.1l V。
3.4.1 初級繞組匝數(shù)N1
3.4.2 次級繞組匝數(shù)N2
式中:Ton為初級輸入脈沖電壓寬度,單位為μs。
取占空度D=O.5,Ton=D/f=13 μs。
3.5 導(dǎo)線線徑的計算
繞組的導(dǎo)線大小根據(jù)變壓器各繞組的工作電流和電流密度來確定。另外,若變壓器的工作頻率超過20 kHz,還需要考慮電流趨膚效應(yīng)的影響,導(dǎo)線直徑應(yīng)小于兩倍的穿透深度。頻率為38 kHz時銅導(dǎo)線的趨膚深度△~O.41 mm,因此,所取導(dǎo)線直徑應(yīng)小于0.82 mm。
3.5.1 電流密度
3.5.2 初級繞組所需導(dǎo)線的截面積
用線徑是O.8mm,截而積是O.5mm2的圓銅線兩根并繞。
3.5.3 截面積
因為本變壓器次級是帶中間抽頭輸出,計算導(dǎo)線的截面積時,Io需乘以O(shè).707的校正系數(shù)。因此,次級繞組所需導(dǎo)線的截面積為
用線徑是O.8mm,截面積是0.5mm2的圓銅線8根,分兩組,每組4根并繞,然后兩組并接。
4 線圈的繞制
因為變換器用的是中間抽頭變壓器,功率較大,宜采用三明治繞法。三明治繞法是中間初級繞組,兩邊次級繞組,或中間次,兩邊初。這種繞法會對變壓器的溫度有很大的幫助,且磁力線在變壓器中分布較均勻,所以繞組耦合較均勻,漏感少,對外界干擾小,對紋波影響較小。本變壓器初級繞組繞在中間,次級是中間抽頭輸出,共有4個繞組,各2個繞組繞在初級的兩邊。
5 結(jié)語
實驗證明,該高頻大功率變壓器滿載工作時轉(zhuǎn)換效率達(dá)到95.5%,磁芯溫度58℃。工作穩(wěn)定可靠,噪聲很小,對外界干擾小,表現(xiàn)了優(yōu)良的電氣特性。
設(shè)計中,在最大輸出功率時,磁芯中的磁感應(yīng)強度不應(yīng)達(dá)到飽和,以免在大信號時產(chǎn)生失真。
該變壓器的工作頻率為38 kHz,由于工作頻率較高,趨膚效應(yīng)影響比較大,因此,在設(shè)計時應(yīng)注意選擇導(dǎo)線線徑,避免由于趨膚效應(yīng)引起的有效面積的減少。
評論