正激變壓器的設(shè)計

正激變壓器的設(shè)計

本文以一個13.8V20A的汽車鉛酸電池充電器變壓器計算過程為例，來說明正激變壓器的計算過程1、相關(guān)規(guī)格參數(shù)〔SPEC〕:

INPUT:

AC

180V~260V

50Hz

OUTPUT:

DC

13.8V(Uomax=14.7V)

20A

Pout:

274W

(Pomax=294W)η≧80%,

fs:60KHZ;主電路拓?fù)洳捎脝喂苷?/p>

自冷散熱2、選擇core材質(zhì).決定△B選擇PC40材質(zhì)Core，考慮到是自冷散熱的方式，取ΔB＝3、確定coreAP值.決定core規(guī)格型號.

AP=AW×Ae=(Ps×104)/(2×ΔB×fs×J×Ku)

Ps:

變壓器傳遞視在功率

(W)

Ps=Po/η+Po

(正激式)

Ps=294/0.8+294＝

J:

電流密度

(A).取400A/cm2

Ku:

銅窗占用系數(shù).

取

AP=(661.5×104)/(2×0.20×60×103

cm2選用COREER42/15

PC40．其參數(shù)為:4

Ae=194mm2

Aw=223mm2

Ve=19163mm3

AL=4690±25%

Pt=433W

(100KHz

25℃)

4、計算Np

Ns.

(1).

計算匝比

n=Np/Ns

設(shè)

n=Np/Ns=Vi/Vo=[Vin(min)

×Dmax]/(Vo+Vf)

Vf:二極管正向壓降

取1V

Vin(min)=180×0.9×√2-20=209VDC

Vin(max)=260×√2=370VDCn=(209*0.4)/(13.8+0.7)=5.766

取CHECK

Dmax

Dmax=n(Vo+Vf)/Vin(min)=5.5

(2).

計算Np

Np=Vin(min)

×ton/(ΔB×Ae)

Ton：MOS管導(dǎo)通時間

ton=Dmax/fs＝0.387/60×103＝Np=(209×6.33)/(0.20×194)=34.1

取34TS

(3).

計算Ns＝6.18

取整為6TS(4).CHECK

Np

〔以Ns驗算Np)

Np=Ns×n=6×5.5=33TS

取

Np=33TS(5).確定NR

NR

=Np=33TS(6).CHECK

ΔB之選擇合理性.

ΔB=[Vin(min)

×Dmax×Ts]/(Np×Ae)

5、計算線徑：(1).

求初級線徑dwp：Ip=Pi/VL=Po/(η×Dmax×××209)=4.63AIprms=Ip×√D=4.63

×√2dwp=√(4Awp/π)＝√(4×0.571/3.14)=0.853mm

Φ0.9mmorΦ×4

(2).

求NR繞組線徑dwR.

NR

=33TS

L=N2×AL

L=332×4690×

Im=Vin(min)

×ton/L=(209××103)

≈2dwN=√(4×0.0691/3.14)=0.235mm

取Φ(3).

求繞組Ns之線徑dws

Isrms=16×√0.35=9.47A

(設(shè)計輸出電流最大為16A)Aws=I/J＝

mm2查ER42/15

BOBBIN幅寬±0.3mm.考慮扣除擋墻約6mm,則有之可繞寬度,預(yù)留適當(dāng)空間(1.5mm)

，

W＝20mm則:

dws=√(4Aws/π)＝√(4×

選用Φ×166、計算副邊輸出儲能電感的感量

Lo=Vo×(1-Dmin)÷×Io×Fs)×〔〕÷〔0.2×20×60×103〕

÷〔240×103〕

=45μH正激變壓器由于儲能裝置在后面的BUCK電感上，所以沒有Flyback變壓器那么復(fù)雜，其作用主要是電壓、電流變換，電氣隔離，能量傳遞等。所以，我們計算正激變壓器的時候，一般都是首先以變壓次級后端的BUCK電感為研究對象的，BUCK電感的輸入電壓就是正激變壓器次級輸出電壓減去整流二極管的正向壓降，所以我們又稱正激電源是BUCK的隔離版本。首先說說初次級匝數(shù)的選擇：以第三繞組復(fù)位正激變壓器為例，一旦匝比確定之后，接下來就是計算初次級的匝數(shù)，論壇里有個帖子里的工程師認(rèn)為，正激變壓器在滿足滿負(fù)載不飽和的情況下，匝數(shù)越小越好。其實這是個誤區(qū)，匝數(shù)的多少決定了初級的電感量〔在不開氣隙，或開同樣的氣隙情況下〕，而電感量的大小就決定了初級的勵磁電流大小，這個勵磁電流雖不參與能量的傳遞，但也是需要消耗能量的，所以這個勵磁電流越小電源的效率越高；再說了，過少的匝數(shù)會導(dǎo)致deltB變大，不加氣隙來平衡的話，變壓器容易飽和。無論是單管正激還是雙管正激，都存在磁復(fù)位的問題。且都可以看成是被動方式的復(fù)位。復(fù)位的電流很重要，如果太小了復(fù)位效果會被變壓器自身分布參數(shù)〔主要是不可控的電容，漏感〕的影響。復(fù)位電流是因為電感電流不能突變，初級MOSFET關(guān)斷之后，初級繞組的反激作用，又復(fù)位繞組跟初級繞組的相位相反，所以在復(fù)位繞組中有復(fù)位電流產(chǎn)生復(fù)位電流關(guān)系到磁芯能否可靠的退磁復(fù)位，其重要性不言自喻；當(dāng)變壓器不加氣隙時，其初級電感量較大，復(fù)位電流自然就小。但在大功率的單管正激和雙管正激的實際應(yīng)用中，往往需要增加一點(diǎn)小小的氣隙，否則設(shè)計極不可靠，大功率的電源，一次側(cè)電流很大,漏感引起的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化，B=I*Llik/nAe,就大，加氣隙是為了減小漏感Llik。正激的占空比主要是取決于次級續(xù)流電感的輸入與輸出，次級則就是一個BUCK電路，而CCM的BUCK線路Vo=Vin*D，跟次級的電流無關(guān)Vo=Vin*DVo:輸出電壓，Vin：BUCK的輸入電壓，即正激變壓器的輸出電壓減去整流管的正向壓降，D：占空比在此，輸出電壓是已知的我們只要確定一個合適的占空比，就可以計算出BUCK電感的Vin，也就是說變壓器的輸出電壓基本就定下來了。在這特別要提醒大家，占空比D的取值跟復(fù)位方式有很大的關(guān)系，建議D的取值不要超過0.5。知道變壓器的輸出電壓Vs之后，那么就可以根據(jù)輸入的電壓來計算出變壓器的匝比了，這里要用最低輸入直流電壓來計算匝比，因為最低輸入的直流電壓對應(yīng)最大的占空比。此Vs的電壓對于選擇次級整流二極管的耐壓也是一個很重要的數(shù)據(jù)。選擇匝比的時候請大家注意，因為計算出來的值一般都是小數(shù)點(diǎn)后有一位甚至幾位的值，而我們在實際繞制變壓器的時候，零點(diǎn)幾匝的繞法非常困難，所以盡量取整數(shù)倍的匝比；當(dāng)然，如果計算變壓器的時候，變壓器的初次級匝數(shù)比也不排除剛好是小數(shù)的情況。正激變壓器加少量氣隙能將電-磁轉(zhuǎn)換中的剩磁清空,磁芯的實際利用率增加,同時增加的一點(diǎn)空載電流在大功率電流中所占比例較小,效率不會受到太大影響,這樣可以讓變壓器不容易飽和,電源的可靠性增加,同時可以減少初級匝數(shù),變壓器內(nèi)阻降低,能小體積出大功率.加氣隙也相當(dāng)于增大了變壓器磁芯,但實際好處(特別是抗飽和能力)是勝于加大磁芯的。加氣隙后,減小的電感量會被增加的磁芯利用率補(bǔ)回來,而且有余,是合算的不用擔(dān)憂。

復(fù)位繞組的位置問題，是跟初級繞組近好呢，還是夾在初次級之間好？如果并繞，當(dāng)然跟初級的耦合是最好的，但對漆包線的耐壓是個考驗！當(dāng)然這不至于直接擊穿。無論從EMC角度還是工藝角度來說，復(fù)位繞組放在最內(nèi)層比較好，實際量產(chǎn)中這是這樣繞的占多數(shù)。單管正激，如果是市電或有PFC輸出電壓作為輸入的話，MOSFET的最低耐壓是2倍直流母線電壓，再加上漏感的因素，MOSFET建議選800V甚至900V的管子。大功率的電源中，考慮到可靠性，一般變壓器的余量較大，為防止變壓器飽和，一般將deltB選得較小，一般取0.2以下；由于EMC與MOSFET的開關(guān)損耗考慮，將頻率設(shè)得較低，一般為40KHz以下；大功率電源一般都會帶主動式PFC電路，所以單管或雙管正激拓?fù)涞哪妇€電壓大概是400V左右。由于上面三個原因，根據(jù)變壓器匝數(shù)計算公式Np=Vin*Ton/(deltB*Ae)，可知變壓器的初次級匝數(shù)較多，而較多的匝數(shù)會使分布參數(shù)〔漏感，分布電容〕變大，從而使繞組的交流損耗，特別是直流損耗都變大，在加上大功率變壓器內(nèi)部繞組的散熱特性很差，故繞組溫升相當(dāng)可觀，再加之大功率變壓器的鐵芯散熱面積小，中柱發(fā)熱比兩個邊柱更嚴(yán)重，而散熱更差，所以鐵芯的損耗導(dǎo)致的溫升也較可觀。較大的鐵損與銅損導(dǎo)致磁芯的溫度上升，從而導(dǎo)致變壓器的磁通密度飽和點(diǎn)下降，如果設(shè)計的余量不夠，當(dāng)變壓器在高溫大負(fù)載的沖擊下，可能立即飽和從而導(dǎo)致炸管！而加點(diǎn)小氣隙可以減少變壓器的剩磁，從而使防止變壓器在高溫大負(fù)載的沖擊下飽和。為什么有的變壓器不加復(fù)位繞組，也能正常復(fù)位？可以利用外部復(fù)位RCD,LCD,有源鉗位等方式。諧振復(fù)位正激變換器，它是利用變壓器激磁電感與MOSFET結(jié)電容進(jìn)行諧振復(fù)位的，但是所需的電感量和電容量是需要詳細(xì)計算的，通常需要對正激變壓器開氣隙才行。復(fù)位電流一般都比較小，所以復(fù)位繞組的發(fā)熱也較小，放在內(nèi)層一般一層就可以繞完便于工藝的控制。我做的變壓器一般是復(fù)位，初級，次級，輔助。次級繞組如果在里面，這繞組所用銅線的單匝長度小，直流損耗低，但散熱就差了一點(diǎn)，如果在外面的話，則情況相反。對于正激電源來說，匝比影響的是占空比，初次級的峰值電流，匝數(shù)以及次級儲能電感的電感量。正激沒有偏磁和直通的毛病,主要優(yōu)點(diǎn)就是可靠性高.同樣頻率下,正激變壓器磁芯的發(fā)熱量只有橋式的1/3。200W-500W的正激變壓器,可加0.05-0.1MM的氣隙,這樣可以減少初級匝數(shù),還可適當(dāng)提高頻率,進(jìn)一步減少匝數(shù),以降低導(dǎo)線發(fā)熱量。正激電源開通、關(guān)斷瞬間，初、次級電流包含哪些成分？穩(wěn)態(tài)之后呢？雙管正激的那兩個鉗位二極管是在復(fù)位的時候?qū)?，從而鉗位MOSFET兩端的電壓近似等于直流母線電壓，復(fù)位二極管最好用超快回復(fù)的，最理想的選擇是BYV26C之類的管子，UF系列也可以。硬開關(guān)電路，從理論上分析，提高頻率的益處:可以允許使用更少的匝數(shù)或者使用更小型號的變壓器〔同樣型號的變壓器輸出同樣功率，鐵損將明顯減少〕，減少電源的體積，增大電源的功率密度。當(dāng)然也有不好的一面：提高頻率將使MOSFET的開關(guān)損耗加大，變壓器繞線的趨膚深度降低，分布參數(shù)的振蕩將更加劇烈，EMI變差。所以，可靠性跟頻率沒有必然的聯(lián)系，只要將電路處理好，特別是熱設(shè)計做好了，一般可靠性還是比較高的。匝比的大小跟輸入的電壓范圍以及占空比有關(guān)。正激與反激不一樣，反激的“電感”變壓器之前，而正激的電感在變壓器之后，所以同樣的占空比下，正、反激的變壓器次級輸出電壓是不一樣的。次級完全可以看成一個BUCK電路，那么這個BUCK電路的輸入電壓就是變壓器次級輸出電壓減去整流管的壓降，只要確定好占空比，就可以計算出電感前端的輸入電壓，即變壓器次級的電壓，然后通過占空比凡推出匝比，選好變壓器之后就可以計算出初級的匝數(shù)，通過匝比計算出次級匝數(shù)。流I3=n*I2。因為I3=n*I2，I2,I3產(chǎn)生的磁場相互抵消，所以在正激變壓器計算中不考慮。開關(guān)損耗是硬開關(guān)電路的硬傷，除非上軟開關(guān)，則可以明顯降低開關(guān)損耗。硬開關(guān)要降低開關(guān)損耗的方法有降低開關(guān)頻率，加快開通與關(guān)斷的速度〔使波形上升與下降沿更陡峭〕，但會使EMI更差，采用輸入電容小的MOSFET，提升電路的驅(qū)動能力等。雙管正激與單管正激變壓器的計算方法完全一樣。其實正激變壓器穩(wěn)態(tài)時的初級電流可以通過變壓器的等效模型得到的，用文字表述下，Ton時，整流管導(dǎo)通，續(xù)流管關(guān)斷〔忽略反向恢復(fù)時間與漏感的影響等因素的影響〕，次級儲能電感電流線性上升，di(L)/dt=(Us-Uo)/L,而這個電流會通過匝比反饋到變壓器初級的電流波形中去。當(dāng)然，變壓器的初級勵磁電感在輸入電壓Uin的作用下，也會有一個線性上升的勵磁電流，di(m)/dt=Uin/Lm，這兩個電流都是要流經(jīng)變壓器初級線圈的，所以我們測試的電流就是這兩個電流的疊加。這也解釋了為何復(fù)位線圈的線徑比初級線圈的線徑小得多的原因。的取值大小限制變壓器鐵芯的損耗大小，小的B值變壓器越不容易飽和，但相反需要更多的繞線匝數(shù)，有時甚至因為窗口面積饒不下，所以銅損在增加。正激一般都是工作在CCM模式，有較大的直流分量，如果要用較大的deltB的話，就需要加入一點(diǎn)氣隙以降低剩磁，來平衡直流分量帶來的影響，不過這會讓勵磁電流增大，變壓器的銅損增加，開關(guān)管的電流應(yīng)力相應(yīng)的也會增大。因為正激的占空比一般都會小于0.5，所以次級續(xù)流二極管的導(dǎo)通時間要更長。除開電容的影響，整流二極管跟續(xù)流二極管的平均電流應(yīng)該是一樣的。正激很少用在全電壓的范圍，是因為占空比變化過大嗎？是的，占空比的變化太大就會使次級的電感設(shè)計變得麻煩。正激有個最小占空比的問題。下面開始說變壓器。第一個需要面對的就是變壓器骨架與磁芯的選擇，其需要考慮的因素實在太多，我們列舉其中一部分來討論下：首先用Ap法〔磁芯面積乘積法〕來計算變壓器的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300~1000A/cm^2；Ku:

磁芯窗口系數(shù).可取0.2-0.4。對于上式Ap算法得到的值，跟實際使用的變壓器AP值相差較遠(yuǎn)，所以被人廣泛詬病。其實產(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，在實際使用在還要考慮到余量，所以對于計算得到的Ap值乘上一個1.5-2的系數(shù)比較合理。其實這里的ΔB(磁感應(yīng)增量)是個比較重要的物理量，需要大家注意。ΔB表征磁芯的在電源工作時，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，這樣可以實現(xiàn)小磁芯出大功率的目的。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。比方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)于漏感的問題，我們在后面再展開討論。再次，還要從通用性與經(jīng)濟(jì)性的角度來考慮，這是工程設(shè)計中無法回避的現(xiàn)實問題。當(dāng)然還有安規(guī)，EMI，溫升，繞法等一些問題需要考慮。計算好匝比之后，一般會綜合考慮次級整流管的電壓應(yīng)力，將計算的匝比調(diào)整或?qū)⒃驯热≌?，接著我們就可以通過匝比來反推電路的真實占空比范圍Dmax=n(Vo+Vf)/Vin(min)Dmin=n(Vo+Vf)/Vin(max)后面的就是要根據(jù)真實的占空比范圍來計算，這樣得到的參數(shù)才是比較合理的。接著就可以計算最大與最小的導(dǎo)通時間,tonmax=Dmax/fstonmin=Dmin/fs接著就能計算初級繞組的匝數(shù)了Np=Vin(min)×tonmax/(ΔB×Ae)Np：初級繞