反激电路高频变压器计算

反激变压器设计
激变压器一半是电感,一半是变压器。设计步骤与电感相似。隔离的反激变压器设计与非隔离反激电感除了没有次级几乎一样。
本例设计要求如下:输入直流电压48V±贝塔斯曼集团10%。输出功率为10W5V/2A)。开关频率250kHz10W输出时变压器损耗0.2W(根据变换器希望效率得到总损耗分配给变压器的损耗),则变压器效率应为98%0.2/10=2%)。要得到此效率你得调整磁芯尺寸;如果变压器比较小,效率降低。
你设计反激变压器初级还需要四个数据:输出功率(输出电压和电流),开关频率,损耗和输入电压(对非隔离反激电感也是如此)以及电感量。
如果使用PWM芯片UC3845,最大占空度为45%。最大占空度选择关系到此反激变换器是工作在连续还是断续模式;我们将计算如下。我们的例子的目标是断续模式。
我们再添一个设计目标,要求变压器是扁平的,这是因为高度限制。
1. 反激的方程
在每次开关导通前,次级电流已经下降到的工作模式称为断续工作模式。当反激变压器初级开关闭合时,初级起电感作用。电压加在初级电感上,电流斜坡上升:
陶希圣
赵凌子
其中:Dmax为最大占空度;f为开关频率;T1/f是开关周期。初级电流波形如图5-10所示。
导通期间存储在初级的能量为
每周期传输的能量Wi,则传输功率为
要满足,必须在功率管再次导通前次级电流下降到零,即复位时间TR<Toff =T-Ton。输出平均电流为
一般选Ton +TR =(0.8~0.9)T,在最低输入电压时Tonmax=0.5T,所以TRmax =(0.3~0.4)T。因为
输出功率
5-10
将式(5-10)代入式(5-9),并经化简得到
或匝比
5-11a
考虑到最低输入电压最大导通时间Tonmax=0.5TTRmax0.4T,如果效率η=0.96,
(5-11b)
式(5-9)是断续模式反激变换器基本方程。一旦输入电压给定,要增加输出功率,你必须要么减少频率,要么减少电感量,没有其它选择。一旦开关频率选定,要增加输出功率,你可以做的就是减少电感量。在实际产品中存在最小电感(应当大于10倍于杂散电感,例如最低应有5μH)问题,低输入电压时,断续模式反激变压器有一个实际最大的传输功率,一般在50~100W
在输入电压较低时,你不应当设计大于50W的反激变换器。虽然有人声称在实验室中能做出5V输入100W输出,但决不会在生产线上生产。
我们假定开关频率为250kHz(受开关晶体管限制)。由式(5-9)在最低输入电压时所需要的电感量为
选择L1=61μH,由式(5-8)初级电流峰值I1p
2. 选择磁芯材料
我们来选择做电感的磁芯材料。因为开关频率相当高,我们应选择铁氧体;也可以选择MPP。设计方法是成熟的,重复全部步骤。为了简化,这里仅考虑铁氧体。如果效率相同,铁氧体设计比MPP体积明显小。
我们已经知道
以及
式中le-平均磁路长度。由于是电感,需要存储能量,因此反激变压器(和任何采用铁氧体的电感)总是留有气隙。因为空气磁导率比铁氧体低得多,气隙大大地增加了有效磁路长度。带有气隙的有效磁路长度为
在许多实际情况下,上式等号后的第二项远远大于第一项,μr×lδ>>le,所以,可以近似为
注意:这只有在磁芯不饱和时才是正确的。将这个近似代入,我们有
如果在铁氧体(或其它高磁导率材料)上有一个气隙,在确认磁芯没有饱和后,使用式(5-15)计算,可以看到,在不饱和情况下,电感是线性的;反之,使用式(5-12a)和(5-12b),当气隙很小时,记住使用式(5-13)的有效磁路长度。
3. 磁芯选择
为确定对于给定应用是否最好,通常需要比较几个不同的磁芯形状。但对于我们的设计要求低尺寸的变压器结构,就不必考虑其它的结构形式。我们别无选择的使用EFDEconomic Flat Design)磁芯;设计完成之后,可以看到,这个磁芯比其它形式合理。
让我们先选取飞利浦最小EFD最小尺寸磁芯,EFD10,作为例子,让它传输10W功率。如果不能,我们再选取大一号尺寸
4. 选择材料
现在我们选择磁芯材料。事实上,我们要是参考其它厂家手册,几乎有没完没了的材料品种,没有一种材料两家相同,如何选择?
参考飞利浦产品手册表5-5,有好几种材料提供选择。
我们还是用飞利浦材料来说明。过去不管什么人在功率用总是使用3C6A。此材料特性差,而且损耗大;现在标注为3C80,现在只用在要求低成本才使用。代替它的是3C8,现在叫做3C81。但是,开关频率继续上升,飞利浦开发新的材料―请记住磁芯损耗随开关频率迅速增长,所以今天,有许多功率磁芯材料,我们可以根据开关频率进行选择。
所以,这些磁芯只要在规定的频率范围,相同的磁通密度变化率具有相同的损耗,都可以代用。材料的些微区别因磁芯材料结构的不同,参数的公差就显得不重要了。
我们的反激变换器工作频率250kHz,看看软磁铁氧体材料选择表(表5-6),并推荐使用3F3(或其它生产厂等效材料)。此材料很好,其损耗在相同频率,相同磁通密度是3C85的一半。或者在你读此书时,又有新的材料。这里对于我们EFD10的材料使用3F3材料。
所以,这些磁芯只要在规定的频率范围,相同的磁通密度变化率具有相同的损耗,都可以代用。材料的些微区别因磁芯材料结构的不同,参数的公差就显得不重要了。
我们的反激变换器工作频率250kHz,看看软磁铁氧体材料选择表(表5-6),并推荐使用3F3(或其它生产厂等效材料指数分布)。此材料很好,其损耗在相同频率,相同磁通密度是3C85的一半。或者在你读此书时,又有新的材料。这里对于我们EFD10的材料使用3F3材料。
5. 选择气隙
已经选择了磁芯的形状和材料,下面我们选择气隙。气隙不能太小,如果气隙太小,由于装配公差影响电感数值,还可能引起磁芯饱和。要控制气隙达到0.25~0.5mm是不现实的,因为研磨公差0.025~0.05mm。气隙在0.25~0.5mm以下,你宁可去买预留气隙磁芯,这种磁芯能保证AL值,而不是气隙尺寸。
即使采用预留气隙磁芯,你还必须当心气隙变化多大:装配的胶将增加气隙长度(特别是由于胶增加的长度每个磁芯之间可能不同),同时,如果是罐型磁芯,可能膨胀开来。要是气隙大于0.5mm,就可避免这类问题。
当你买一对(两个一半)磁芯,给出AL,通常是一半有气隙,而另一半无气隙。因此实验室中,你要想得到一半的AL值,只要用两个预留气隙合在一起。当然,剩下的是不留气隙磁芯。
在实验室做气隙磁芯时,一般你放两个垫片在磁芯的外边柱(如0.05mm多层聚酯薄膜带),并使每个垫片相等并等于希望的气隙。你应当记住,你计算的是总气隙长度,它是中心柱气隙和边柱(两个中的一个)磁路气隙之和。因为在边柱放置气隙,也在中柱产生气隙,你放置的垫片厚度应是总气隙的一半。
如果你要在中柱产生1.26mm气隙,你需要在每边放置0.63mm的气隙。
现在我们来选择气隙,并参考飞利浦手册。我们看到,市售的标准产品中EFD105个不同的AL值。我们可以假定这样小的磁芯可以做72.5μH电感,所以我们用这个最高AL来试探。因为AL最高,则匝数最少,因而线圈电阻也最低。最高AL160nH ,为了得到72.5μH,我们需要
选择N=22匝,所用的磁芯Ae=0.072cm2,所以可以计算气隙
太薄!这显然不是你要达到的数值。知道气隙以后,你可以计算磁通密度
这大于3F3100℃时饱和磁通密度Bs=0.33T尽管在手册上25℃饱和磁通为0.5T,但磁芯工作温度总是超过25,而且在最坏情况下远远大于25℃,0.5T对使用意义不大。因此不能选用这个磁芯。根据以上的方法,我们计算了不同AL(气隙)一组结果,如表5-6所示。最终格宾加筋挡墙AL25μH是菲利普最大预留气隙磁芯。这个表中仅有两个磁芯的磁通密度小于100℃时3F3饱和磁通密度0.3T,所以就不必考虑AL63nH100nH杀气三时作阵云另外两种磁芯。
6. 选择次级匝数
根据式(5-11b)得到
则次级匝数为
5匝。这里Uo’是输出电压与整流器压降之和。工程中,变压器输出功率与变换器输出功率是不同的。同样变压器的效率与变换器的效率也是不同的概念。这里主要是说明设计的基本步骤,没有严格区分。
假设没有漏感,次级电感量为

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