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平面变压器设计实例

平面变压器设计实例
平面变压器设计实例

变压器的设计实例

摘要:详细介绍了一个带有中间抽头高频大功率变压器设计过程和计算方法,以及要注意问题。根据开关电源变换器性能指标设计出变压器经过在实际电路中测试和验证,效率高、干扰小,表现了优良电气特性。关键词:开关电源变压器;磁芯选择;磁感应强度;趋肤效应;中间抽头 0 引言 随着电子技术和信息技术飞速发展,开关电源SMPS(switch mode power supply)作为各种电子设备、信息设备电源部分,更加要求效率高、成本小、体积小、重量轻、具有可移动性和能够模块化。变压器作为开关电源必不可少磁性元件,对其进行合理优化设计显得非常重要。在高频开关电源设计中,真止难以把握是磁路部分设计,开关电源变压器作为磁路部分核心元件,不但需要满足上述要求,还要求它性能高,对外界干扰小。由于它复杂性,对其设计一、两次往往不容易成功,一般需要多次计算和反复试验。因此,要提高设计效果,设汁者必须有较高理论知识和丰富实践经验。 1 开关电源变换器性能指标 开关电源变换器部分原理图如图1所示。 https://www.wendangku.net/doc/fb16261945.html,提示请看下图: 其主要技术参数如下: 电路形式半桥式; 整流形式全波整流; 工作频率 f=38kHz; 变换器输入直流电压 Ui=310V; 变换器输出直流电压 Ub=14.7V; 输出电流 Io=25A; 工作脉冲占空度 D=0.25~O.85; 转换效率η≥85%; 变压器允许温升△τ=50℃; 变换器散热方式风冷; 工作环境温度t=45℃~85℃。 2 变压器磁芯选择以及工作磁感应强度确定 2.1 变压器磁芯选择 目前,高频开关电源变压器所用磁芯材料一般有铁氧体、坡莫合金材料、非晶合金和超微晶材料。这些材料中,坡莫合金价格最高,从降低电源产品成本方面来考虑不宜采用。非晶合金和超微晶材料饱和磁感应

反激式开关电源设计的思考六-变压器设计实例

反激式开关电源设计的思考六 -变压器设计实例 已知条件: 输入电压:DC:380V~700V 输出电压:1) 5V/0.5A 2) 12V/0.5A 3) 24V/0.3A PWM控制论芯片选用UC2842, 开关频率:50KHz 效率η:80% 取样电压用12V,5V用7-8V电压通过低压差三端稳压块得到; 算得Po=5×0.5+12×0.5+24×0.3=15.7 W 计算步骤: 1、确定变比N N=Np/Ns VoR = N(VO+VD) N=VoR/(VO+VD) VoR取210V N=210/(12+1)=16.1 取16 2.计算最大占空比Dmax 3、选择磁芯 计划选择EE型磁芯,因此ΔB为0.2T,电流密度J取4A/mm2 Ap = AwAe = 6500×P0 / (△B×J×f) =2.51×103 (mm4) 通过查南通华兴磁性材料有限公司EE型磁芯参数知

通过上面计算,考虑到还有反馈绕组,要留有一定余量,最终选择EE25磁芯 EE25磁芯的Ae=42.2mm2=4.22X10-3m2 4、计算初级匝数Np

5、初级峰值电流:Ip 6、初级电感量L

7、次级匝数 1) 、12V取样绕组Ns: Ns=Np/N =250/16 =15.625 取16匝 2)、计算每匝电压数Te: Te=(Uo+Ud)/Ns =(12+1)/16 =0.8125 3)、7.5V匝数: N7.5V=U/Te =(7.5+0.5)/0.8125 =9.84取10匝 4)、24V匝数 N24V=U/Te =(24+1)/0.8125 =30.7取31匝 5)、辅助绕组15V N15V=U/Te =(15+1)/0.8125 =19.7取20匝 8、计算初级线径: 1)、计算电流有效值I

反激变压器设计实例(二)

反激变压器设计实例(二) 目录 反激变压器设计实例(二) (1) 导论 (1) 一.自跟踪电压抑制 (2) 2. 反激变换器“缓冲”电路 (4) 3. 选择反击变换器功率元件 (5) 3.1 输入整流器和电容器 (5) 3.2 原边开关晶体管 (5) 3.3 副边整流二极管 (5) 3.4 输出电容 (6) 4. 电路搭接和输出结果 (6) 总结 (7) 导论 前面第一节已经将反激变换器的变压器具体参数计算出来,这里整个反激电路最核心的部件已经确定,我们可以利用saber建立电路拓扑,由saber得出最初的输出参数结果。首先进行开环控制,输出电容随便输出一个值(由于C1作为输出储能单元,其容值估算应考虑到输出的伏秒,也有人用1~2uF/W进行大概估算),这里选取1000uF作为输出电容。初始设计中的输出要求12V/3A,故负载选择4欧姆电阻,对于5V/10A的输出,通过调节负载和占空比可以达到。由实际测量可得,1mm线径的平均电感和电阻值分别为6uH/匝和2.6mΩ/匝,寄生电感通常为5%,由于副边匝数较少,可不考虑寄生电感,所以原边寄生电感为27uH,电阻为11.57mΩ,最终结果如图1所示。

图1.反激电路主拓扑 图2.开关管电压、输出电压、输出电流 首先由输出情况可以看出,变压器的设计还是满足要求的。查看图2中开关管电压曲线可以看出,其开关应力过高,不做处理会导致开关管导通瞬间由于高压而击穿。 在反激变换器中,有两个主要原因会引起高开关应力。这两个原因都与晶体管自带感性负载关断特性有关。最明显的影响是由于变压器漏感的存在,集电极电压在关断边沿会产生过电压。其次,不是很明显的影响是如果没有采用负载线整形技术,开关关断期间会出现很高的二次测击穿应力。 一.自跟踪电压抑制 当警惕管所在电路中带感性或变压器负载,在晶体管关断时,由于有能量存储在电感或变压器漏感的磁场中,在其集电极将会产生高压。 在反激变换器中,储存在变压器中的大部分能量在反激期间将会传递到副边。可是由于漏感的存在,在反激期间开始时,除非采用一定形式的电压抑制,集电极电压会有增加的趋势。在图3中,变压器漏感、输出电容电感和副边电路的回路电感集中为L TL,并折算到变压器原边与原边主电感L p相串联。 考虑在关断后紧接着导通这个动作,在此期间T1原边绕组中已建立电流。当晶体管Q关断

平面变压器的技术分析

平面变压器的技术分析 中心议题:平面变压器的特性研究平面变压器的插入技术平面变压器的标准化设计 解决方案:使变压器中磁性能量储存的空间减少,导致漏感的减少使电流传输过程中在导体上理想分布,导致交流阻抗的减少绕组间更好的耦合作用,导致更低的漏感 磁性元件的设计是开关电源的重要部分,因为平面变压器在提高开关电源的特性方面有着很大的优势,因此近年来得到了广泛的应用。对于一个理想的变压器来说,初级线圈所产生的磁通都穿过次级线圈,即没有漏磁通。而对普通变压器来说,初级线圈所产生的磁通并非都穿过次级线圈,于是就产生了漏感,电磁耦合的紧密要求也无法满足。而平面变压器只有一匝网状次级绕组,这一匝绕组也不同于传统的漆包线,而是一片铜皮,贴绕在多个同样大小的冲压铁氧体磁芯表面上。所以,平面变压器的输出电压取决于磁芯的个数,而且平面变压器的输出电流可以通过并联进行扩充,以满足设计的要求。因此,平面变压器的特点就显而易见了:平面绕组的紧密耦合使得漏感大大地减小;平面变压器特殊的结构使得它的高度非常的低,这使变换器做在一个板上的设想得到实现。但是,平面结构存在很高的容性效应等问题,大大限制了它的大规模使用,不过,这些缺点在某些应用中,也有可能转换为一种优点。另外,平面的磁芯结构增大了散热面积,有利于变压器散热。1平面变压器的特性研究如前所述,平面变压器的优点主要集中在较低的漏感值和交流阻抗。绕组问的间隙越大意味着漏感越大,也就产生更高的能量损失。平面变压器利用铜箔与电路板间的紧密结合,使得在相邻的匝数层间的间隙非常的小,因此能量损耗也就很小了。在平面型变压器里,其“绕组”是做在印制电路板上的扁平传导导线或是直接用铜泊。扁平的几何形状降低了开关频率较高时趋肤效应的损耗,也就是涡流损耗。因此,能最有效地利用铜导体的表面导电性能,效率要比传统变压器高得多。图1给出了一个平面变压器的剖面图,并且利用两层绕组间距离的不同,而获得在不同间隙下的漏感和交流阻抗值。图2与图3给出了在不同的间隙下漏感和交流阻抗的变化,可以明显地看出间隙越大,漏感越大,交流阻抗越小。在间隙增加1mm的状况下漏感值增加了5倍之多。因此,在满足电气绝缘的情况下,应该选用最薄的绝缘体来获得最小的漏感值。然而,容性效应在平面变压器中是非常重要的,在印制电路板上紧密绕制的导线使得容性效应非常的明显。而且绝缘材料的选取对容性值也有着非常大的影响,绝缘材料的介电常数越高,变压器的容性值越高。而容性效应会引起EMI,因为从初级到次级的绕组中只有容性回路的绕组传播这种干扰。为了验证,笔者做了一个试验,在铜导线的间隙增加O.2mm的情况下,而电容值就减少了20%。因此,如果需要一个比较低的电容值,则必须在漏感和电容值之间做出一个折中的选择。2插入技术插入技术是指在布置变压器原、副边绕组时,使原边绕组与副边绕组交替放置,增加原、副边绕组的耦合以减小漏感,同时使得电流平均分布,减小变压器损耗。现在插入技术的研究被分为两个方面,即应用于变压器的插入(正激电路)和应用于连接电感器的插入(反激电路)。因此,插入技术现在已经被放在不同的拓扑中作为不同的磁性部件来研究。2.1应用于平面变压器的插入技术应用于变压器中的插入技术的主要优点如下:1)使变压器中磁性能量储存的空间减少,导致漏感的减少;2)使电流传输过程中在导体上理想分布,导致交流阻抗的减少;3)绕组间更好的耦合作用,导致更低的漏感。为了说明插入技术的特征,图4给出了应用3种不同插入技术的结构,P代表初级绕组,s代表次级绕组。试验显示SPSP结构是最好的,因为初级和次级的绕组都是间隔插人的。图5显示了在500kHz时,3种结构的交流阻抗和漏感值,通过比较可以很容易地发现应用了插入技术的变压器,交流阻抗和漏感值都有了很大的减少。2.2多绕组变压器中平面结构的优势平面变压器另一个重要的优点是高度很低,这使得在磁芯上可以设置比较多的匝数。一个高功率密度的变换器需要一个体积比较小的磁性元件,平面变压器很好地满足了这一要求。例如,在多绕组的变压器中需要非常多的匝数,如

反激变压器的详细公式的计算

单端反激开关电源变压器设计 单端反激开关电源的变压器实质上是一个耦合电感,它要承担着储能、变压、传递能量等工作。下面对工作于连续模式和断续模式的单端反激变换器的变压器设计进行了总结。 1、已知的参数 这些参数由设计人员根据用户的需求和电路的特点确定,包括:输入电压V in、输出电压V out、每路输出的功率P out、效率η、开关频率f s(或周期T)、线路主开关管的耐压V mos。 2、计算 在反激变换器中,副边反射电压即反激电压V f与输入电压之和不能高过主开关管的耐压,同时还要留有一定的裕量(此处假设为150V)。反激电压由下式确定: V f=V Mos-V inDCMax-150V 反激电压和输出电压的关系由原、副边的匝比确定。所以确定了反激电压之后,就可以确定原、副边的匝比了。 N p/N s=V f/V out 另外,反激电源的最大占空比出现在最低输入电压、最大输出功率的状态,根据在稳态下,变压器的磁平衡,可以有下式: V inDCMin?D Max=V f?(1-D Max) 设在最大占空比时,当开关管开通时,原边电流为I p1,当开关管关断时,原边电流上升到I p2。若I p1为0,则说明变换器工作于断续模式,否则工作于连续模式。由能量守恒,我们有下式: 1/2?(I p1+I p2)?D Max?V inDCMin=P out/η 一般连续模式设计,我们令I p2=3I p1 这样就可以求出变换器的原边电流,由此可以得到原边电感量: L p= D Max?V inDCMin/f s?ΔI p 对于连续模式,ΔI p=I p2-I p1=2I p1;对于断续模式,ΔI p=I p2 。 可由A w A e法求出所要铁芯: A w A e=(L p?I p22?104/ B w?K0?K j)1.14 在上式中,A w为磁芯窗口面积,单位为cm2 A e为磁芯截面积,单位为cm2 L p为原边电感量,单位为H I p2为原边峰值电流,单位为A B w为磁芯工作磁感应强度,单位为T K0为窗口有效使用系数,根据安规的要求和输出路数决定,一般为0.2~0.4 K j为电流密度系数,一般取395A/cm2 根据求得的A w A e值选择合适的磁芯,一般尽量选择窗口长宽之比比较大的磁芯,这样磁芯

变压器设计1

干式铁心电抗器 一、基本原理 电抗器是一个电感元件,当电抗器线圈中通以交流电时,产生电抗(X L )和电抗压降(U L =I L X L )。 空心电抗器线圈中无铁心,以非导磁材料空气或变压器油等为介质,其导磁系数很小 (1≈μ) ,磁阻(C r )很大,线圈电感(L )、电抗(X L )及电抗压降(U L )均小; 铁心电抗器的线圈中放有导磁的硅钢片铁心材料,硅钢片导磁系数大,磁阻小,其电感(L )、电抗(X L )及电抗压降(U L )均大。另外,铁心电抗器铁心柱上放有气隙(或油隙),改变气隙长度,会改变磁路磁阻,从而得到所需电感值(L )、电抗(X L )及电抗压降(U L )。 铁心电抗器线圈通过交流电,产生磁通分两部分,如图所示。一部分是通过铁心之外的线圈及空道的漏磁通(q Φ),它产生线圈漏抗(X Lq )及漏抗压降(U Lq = I L X Lq );另一部分是通过铁磁路(铁心及气隙)的主磁通(T Φ),它将在线圈中感应一个电势E ,其E ?可以 视为一个电压降,如忽略电阻电压降,此压降可认为是主电抗压降(U LT ) 。等值电路如图所示。 电抗压降(U L )的通式: C C L C C L C L L L L L l A W fI l A W fI r W I L I X I U 28022 109.72?×==== =μμπωω (V) 式中: L I —通过电抗器线圈的电流(A) L X —电抗器电抗(Ω) L —电抗器电感(H) W —线圈匝数 C r —磁阻(H -1 ),C r =C C A l 0μμ μ—相对导磁系数,如空气或变压器油μ=1 0μ—绝对导磁系数,cm H /104.080?×=πμ C l —磁路长度(cm) C A —磁路面积(cm 2 ) 磁通与磁势图 U LT 等值电路图

平面变压器在电源中的设计应用

平面变压器在电源中的设计应用 文章通过对平面变压器所具有的特点进行系统的分析,并且结合在电源中的一些实例,从而进一步探讨平面变压器设计和实际应用等问题。 标签:平面变压器;开关电源;集肤效应 前言 现代的工作和生活对许多电子产品提出了小型化的要求。而作为电子产品工作的能源-开关电源是必不可少的。特别是功率较大的电子产品,电源部分占据了较大的体积和重量,。而在在开关电源中,磁性器件大概占到开关电源体积和重量的30%-40%。降低磁性器件的体积和重量就显得尤为重要。平面变压器具有体积小,功率密度高刚好能满足这些要求。因此,平面变压器取代传统变压器是开关电源发展的一个趋势。 1 平面的绕组特点 平面变压器绕线方式就是借鉴了印制电路板的形成方式,平面变压器具有很多优点。下面我们就对其特点进行分析,第一,平面变压器绕线方式就是借鉴了印制电路板的形成方式,使用这种方式对其进行生产,实际效率相对较高;第二,平面变压器的实际绕组参数是统一的,相对的离散性比较小;第三,平面变压器使用的是高性能的绝缘材料,使压层、线圈之间的保持良好的绝缘性;第四,其实际的引脚的位置可以根据实际需要进行自由分配,局限性相对较小,数量上也能够随之进行增减;第五,能够将集肤效应降到最低;第六,其相对的物理结构相当密实,线圈的固化结构也非常紧密、不需要使用支架进行绕线,自激振荡性小,相对能量的损耗也较小;第七,还能与控制应用模板进行统一的设计和装配。由于平面变压器是一种新型的技术,不管是在理论上、材料的性能上、电能的性能指标、实际体积等众多方面有一定的提升和创新。 2 实际应用 我们在平面变压器电源中的可行性实验里,使用文中提到的理论依据进行研究,从而进行了一系列工程化的工作,其平面变压器的电源有很多种不同的设计。 以320VDC/12VDC 25A变换器为例,对比常规变压器以及平面变压器。将双管反激电路作为主电路,将开关频率黄蓉胡阳 设置为100千赫,借助普通高频变压器的设计方案,联合应用两个EI33型磁芯,设计30匝原边,使用0.81毫米直径的漆包线作为绕组,2匝副边,0.3毫米铜皮的绕组,将2层使用并联的方式。 EI-33型磁芯參数具体为:有效截面积(Ae)为118mm2;有效磁路长度(Le)

平面变压器的工作原理

平面变压器的结构原理与应用 摘要:大多数DC/DC变换器都需要隔离变压器 而平面变压器技术在隔离变压器的许多方面实现了重要的突破。介绍了平面变压器的结构、性能和使用方法。 关键词:隔离变压器平面变压器开关电源 在DC/DC变换中,基本的Buck、Boost、Cuk变换器是不需要开关隔离变压器的。但如果要求输出与输入隔离,或要求得到多组输出电压,就要在开关元件与整流元件之间使用开关隔离变压器,所以绝大多数变换器都有隔离变压器。目前开关电源的发展趋势是效率更高、体积更小、重量更轻,而传统的隔离变压器在效率、体积、重量等方面严重制约了开关电源的进一步发展。同时由于变压器涉及到的主要参数有电压、电流、频率、变比、温度、磁芯u值、漏抗、损耗、外形尺寸等,所以一直无法象其它电子元器件那样有现成的变压器可供选用,常常要经过繁琐的计算来选用磁芯和绕组导线,而且绕组绕制对变压器的性能也有较大影响,加之变压器的许多重要参数不易测量,给使用带来一定的盲目性,很难在频率响应、漏抗、体积和散热等方面达到满意效果。平面变压器(FlatTransformer 技术则在隔离变压器的许多方面实现了重要的突破。 目前,国外的许多电源产品中都开始采用平面变压器技术,如蓄电池充电电源、通信设备分布式电源、UPS等。而国内的隔离开关变压器在材料、工艺等方面与国外先进国家有一定差距,阻碍了开关电源开关高频的提升和效率提高,使开关电源产品停留在一个较低的水平。平面变压器技术将会为高频开关电源的设计和产品化提供有益的帮助。 传统变压器的绕组常常是绕在一个磁芯上,而且匝数较多。而平面变压器(单元)只有一匝网状次级绕组,这一匝绕组也不同于传统的漆包线,而是一片铜皮,贴绕在多个同样大小的冲压铁氧体磁芯表面上。所以平面变压器的输出电压取决于磁芯的个数,而且平面变压器的输出电流可以通过并联进行扩充,以满足设计的要求。并且平面变压器原边绕组的匝数通常也只有数匝,不仅有效降低了铜损和分布电容、电抗,而且为绕制带来了很多便利。由于磁芯是用简单的冲压件组合而成的,性能的一致性大大提高,也为大批量生产降低了成本。 1 平面变压器的结构和性能 1.1 结构 平面变压器通常有2个或2个以上大小一样的柱状磁芯(图1a)。现以2个磁芯的平面变压器为例介绍其结构。每个磁芯柱在对角线上的两角都用铜皮连接,铜皮在通过磁芯柱时紧贴磁芯内壁(图1b)。两个磁芯并排放置,相邻的两角用铜皮焊接起来,在一个磁芯的一个外侧面上的两个角上的铜皮用一片铜皮焊接在一起,这里就是平面变压器次级线圈的中心,如果在这里引出抽头,就是次级线圈的中心抽头;在另一个磁芯

反激式变压器的设计

反激式变压器的设计 反激式变压器的工作与正激式变压器不同。正激式变压器两边的绕组是同时流过电流的,而反激式变压器先是通过一次绕组把能量存储在磁心材料中,一次侧关断后再把能量传到二次回路。因此,典型的变压器阻抗折算和一次、二次绕组匝数比关系不能在这里直接使用。这里的主要物理量是电压、时间、能量。 在进行设计时,在黑箱估计阶段,应先估计出电流的峰值。磁心尺寸和磁心材料也要选好。这时,为了变压器能可靠工作,就需要有气隙。 刚开始,在开关管导通时把一次绕组看作是一个电感器件,并满足式(24)。 (24) 把 Lpri移到左边,用Ton=Dmax/f 代到上式中,用已知的电源工作参数,通过式(25) 就可以算出一次最大电感 ——最大占空比(通常为50%或0.5)。 (25) 这个电感值是在输入最小工作电压时,电源输出仍能达到额定输出电压所允许选择的最大电感值。 在开关管导通的每个周期中,存储在磁心的能量为: (26) 要验证变压器最大连续输出的功率能否满足负载所需的最大功率,可以使用下式: (27)

所有磁心工作在单象限的场合,都要加气隙。气隙的长度(cm)可以用下式近似(CGS制(美 国)): (28a) 式中Ac——有效磁心面积,单位为; Bmax——最大磁通密度,单位为G(Wb/cm )。 在MKS系统(欧洲)中气隙的长度(m)为 (28b) 式中Ac——有效磁心面积,单位为; Bmax——最大磁通密度,单位为T(Wb/m )。 这只是估算的气隙长度,设计者应该选择具有最接近气隙长度的标准磁心型号。 磁心制造厂商为气隙长度提供了一个A L的参数。这参数是电感磁心绕上1000 匝后的数据(美 国)。根据设计好的电感值,绕线的匝数可以用式(29)计算确定。 (29) 式中 Lpri——一次电感量,单位为mH。 如果有些特殊的带有气隙的磁心材料没有提供A L。的值,可以使用式(30)。注意不要混淆CGS和MKS两种单位制(G和cm与T和m)。 (30)

平面变压器的设计原理及其应用

平面变压器的应用 1 概述 目前,电力电子技术的应用十分广泛。如:航空航天电源,舰载电源,雷达电源,通讯电源,电动机车-汽车电源,计算机-集成芯片电源,高频加热-照明电源,变频器,逆变器和各种AC/DC,DC/DC变换器等。而且应用的水平和对电源性能提出的要求不断提高。比如:高频开关电源的功率密度要求越来越高,成为当前主要研究课题。 功率磁性元件是所有电力电子装置中必不可少的关键器件,其体积和重量一般占到整个电路的20%到30%,磁性元件的损耗占到总损耗的30%左右,且磁性元件的各项参数对电路的性能影响很大。从目前看来,磁性元件无论在研究上,还是在应用上都已成为电力电子际踅 徊椒⒄沟钠烤保 谀持殖潭壬现苯佑跋炝说缌Φ缱蛹际醯姆⒄埂R虼耍 愿咂担 吖β拭芏群吞厥馔庑谓峁沟拇判栽 难芯浚 ⑹鞘 种匾 摹1热纾捍判栽 钠矫* 旌霞 苫 取? 目前来看,以铁氧体为磁芯的平面变压器体积小,功率密度大,将在较大功率的模块电源中发挥主要作用,成为主流产品,可在电力电子技术的领域大力推广和广泛应用,在某种程度上可以推动电力电子技术的发展。 2 平面变压器的优势 平面变压器与常规变压器相比,磁芯尺寸大幅度缩小,特别是高度缩小最大。这一特色对电源设备中在空间受到严格限制的场合下具有相当大的吸引力,从而可成为许多电源设备中首选的磁性元件。平面变压器结构上的优势,也为它的电气特性带来了许多优点:功率密度高,效率高,漏感低,散热性好,成本低等。详见下表:

3 制造方式 1、线绕式平面变压器:这种绕组方式与常规变压器的绕制方式一样,适合于高频,高压变压器的制造。 2、铜箔式平面变压器:这种方式是用铜箔作绕组,折叠成多层线圈。适合于制造低压,大电流的变压器。 3、多层印制板式平面变压器:这种方式是用印制板的制造工艺,在多层板上形成螺旋式的线圈。适合于制造中,小功率的变压器。 以上三种形式的平面变压器,在现有的机械设备、生产规模和工艺水平下,能很方便地制造出来。所以,大力推广平面变压器的开发和应用,具有特别的实际意义。 4、多元化的开发与应用 1、并联组合形式:因平面变压器铁芯扁平,所以很容易用两个,四个或八个铁芯合成来实

4.变压器与电感器的设计要点

损耗确认:在3.2:节已对反激变压器的损耗进行了分析,但如何确 认实际的情况,只有实测原副边绕组和磁芯的温度,而且要在无风的条件下测量,并根据温度进行改进,使铜损等于铁损,且原副边的铜损相等。但实测原副边绕组的温度很困难,所以,要保证原副边绕组的铜损相等,必须按原副边绕组总的铜面积相等的原则选定线径。 磁芯尺寸:要知道磁芯的尺寸是经过反复优化而确定的,目的是传输更大的功率和减小寄生参数,所以,在使用磁芯时,窗口一定要用满,如原副边绕组一定要绕满窗口,否则就一定会有不妥之处,如选的磁芯型号过大等等。 半匝:在多绕组输出时,偶尔会为得到准确的输出电压而使用半匝,但要搞清楚半匝的本质,从电流必须流过完整的回路角度看,半匝其实并不真正存在,只是另一半是由其余线路来充当而已。这样一来,漏感大增是肯定的,故此,半匝不能在主要绕组上使用。另外还有安规方面的问题。所以要慎用半匝。

线路对漏感有惊人的影响,特别是变压器匝比较大时,所以,良好的布线是保 证漏感较小的前提,因此,变压器漏感的测量要在PCB 板上进行,在输出二极 管D 和电解电容C 的位置,要用短粗铜线短接,这样测ab 点之间的漏感值才是 在电路中起作用的漏感,千万不要被错 误的测量而误导。漏感测量:为了减小漏感,我们花费很大的精力在变压器上进行改善,并测得有不超过2~3%的漏感,深感欣慰。但不要忘记, PCB Q Vin+C Np Ns Vo+Vo-a b D 脉冲丢失:反激变换器在轻载或空载时,会有脉冲丢失的现象,其原因是反激变压器开通一次所存的能量超过负载的需求,电压环的误差放大器处于随机工作状态所致。 增大电感量会有改善,但只增电感量会有其他问题产生,所以,还是在电路上寻找改善的办法,如增大D max 、降低f s 、增加假负栽、加大电流前沿尖峰的削减等等。

平面变压器

平面变压器与应用综述 Survey and application of the planar transformer 1.引言 高频、高功率密度的电源变换模块在电力电子设备中得到广泛的应用和发展。要提高变换器的功率密度,关键是降低磁性元件的体积和重量。一方面,从传统的电工磁理论考虑,对于一定的线圈窗口面积和铁芯横截面积,对最优结构,要求线圈回路和铁芯回路的长度最短,以减小铁芯总体积和线圈的平均长度;另一方面,从热设计理论考虑,最大化地增加磁性元件的散热表面积,且使从磁件热点到磁件表面积的热阻降低,从而提高功率密度。 变压器结构正经历三次更新换代。第一次是平面变压器,体积和重量比立体变压器(普通变压器)减少80%,已形成从5W至20KW,20KHZ至2MHZ的产品,效率典型值为98%。第二次是片式变压器,对低压大电流特别适用,高度(厚度)更进一步降低,电流可达100安以上,采用一个次级绕组多个磁芯组成,代替以前的一个磁芯多个绕组。多个磁芯的初级绕组串联,从而达到降压隔离的要求。内部温升比平面变压器低,只有10℃左右。可以装在额定温升更高的基板上工作。第三次是薄膜变压器,采用薄膜后高度低于1mm。工作频率超过1MHZ,达到10~100MHZ。由于采用集成电路工艺制造,成本并不增加。是直流开关电源变压器的最新发展方向。之所以强调"正经历",是因为在现阶段,不同的应用范围和市场,从性能价格比出发,要求的变压器结构形式也不一样。立体变压器仍然大量使用。平面变压器已形成系列,正在推广。片式变压器处于个别和小批量生产阶段。薄膜变压器只是个别情况,仍处于研究开发阶段。 由此可见,铁氧体平面变压器将在未来的功率变换模块中发挥极为重要的作用,特别在较大功率模块中起的作用显得更为突出。 2.结构原理 平面变压器通常有2个或2个以上大小一样的柱状磁芯。现以2个磁芯的平面变压器为例介绍其结构,如图1所示。每个磁芯柱在对角线上的两角都用铜皮连接,铜皮在通过磁芯柱时紧贴磁芯内壁。两个磁芯并排放置,相邻的两角用铜皮焊接起来,在一个磁芯的一个外侧面上的两个角上的铜皮用一片铜皮焊接在一起,这就是平面变压器次级线圈的中心,如果在这里引出抽头,就是次级线圈的中心抽头;在另一个磁芯的外侧面上的两个角上的铜皮就是平面变压器次级线圈的两端。这样就基本构成一个平面变压器的主体部分。它的次级线圈只有一匝,而且可以带有中心抽头。一个完整的平面变压器还有一个预置的储能电感,它的一端常接在中心抽头上,上、下各有一片固定铜板,它们将磁芯和滤波电感夹在中间,同时作为整流电源的两极和散热板。

反激式变压器的设计实例

反激式变压器的设计实例 尽管在buck变换器的设计中没有用到反激式变压器,但由于反激式变压器介于电感与变压器之间,为了帮助大家进一步搞清楚这个特殊的磁性元件,在此我们给出反激式变压器的设计,并作为设计范例。介绍的内容要比直流电感简单一些,但是很多方面是一致的。说明一下,这里设计的反激式变压器是有隔离的,而非隔离反激式电感的设计除了没有副边以外,其他的几乎相同。我们的设计要求为:直流输入电压为48V(为了简便起见,假设没有线电压波动),功率输出为10W,开关频率是250kHz,允许功率损耗0.2W(根据总的损耗,可以知道变换器的效率要求),因此变换器效率为98%(0.2W/10W=2%)。效率的大小与磁芯的尺寸有关,变压器体积越小,效率越低。 (隔离、断续模式的)反激式变压器原边设计时只需要用到四个参数:输出功率、开关频率、功耗、输入电压(设计非隔离反激式电感也只需这四个参数)。这里,我们还没有提到电感量,电感量由很多参数决定,在下面的内容中我们将会介绍它们之间的关系。 我们用UC3845芯片(8脚、中等价格)提供PWM信号,其最大占空比为45%,占空比的大小是根据变换器是工作在连续状态还是断续状态来确定的,稍后的章节中将介绍如何计算占空比,在这个例子中,我们选用断续模式。 我们再增加一项设计要求:就是变压器体积要尽量小,有一定的高度限制。我们将会看到,变压器的设计与电感的设计不完全相同,变压器通常可以选用多种不同的磁芯来实现相同的电气特性。在这个例子中,还要根据其他一些要求来选择磁芯,包括尺寸、成本等因素。 1 反激式变压器的主要方程 首先,我们做一些基本的准备工作。正如这一章一开始介绍的理论内容中所说的那样,当反激式变换器原边开关器件导通时,变压器原边绕组的作用相当于一个电感。电压加在原边电感上,开关导通期间,电流持续上升: 这里,DC是占空比,f是开关频率,T=1/f是开关周期,这个方程适用于电流断续模式反激式变压器,原边电流波形如图案5-17所示。

变压器设计

应用领域: ?逆变焊机电源 ?通讯电源 ?高频感应加热电源 ? UPS电源 ?激光电源 ?电解电镀电源 性能特点: ?高饱和磁感应强度----有效缩小变压器体积 ?高导磁率、低矫顽力-提高变压器效率、减小激磁功率、降低铜损 ?低损耗-降低变压器的温升 ?优良的温度稳定性-可在-55~130℃长期工作 铁基纳米晶铁芯与铁氧体铁芯基本磁性能对比 纳米晶铁芯铁氧体铁芯 基本参数 饱和磁感强度Bs 1.25T 0.5 剩余磁感Br(20KHz) <0.20 0.2 铁损(20KHz/0.2T)(W/Kg) <3.4 7.5 铁损(20KHz/0.5T)(W/Kg) <30 — 铁损(50KHz/0.3T)(W/Kg) <40 — 磁导率(20KHz)(Gs/Oe) >20,000 2,000 矫顽力Hc(A/m) <1.60 6 饱和磁致伸缩系数(×10-6) <2 4 电阻率(μΩ.cm) 80 106 居里温度(℃) 560 <200 铁芯叠片系数 >0.70 — 纳米晶主变铁芯一代产品 安泰非晶生产的第一代逆变主变压器铁芯,带材厚度30μm,适合20KHz条件下工作。磁芯设计最大功率=重量最小值x10

产品规格 铁芯尺寸保护盒尺寸 有效截面 积 磁路长 度 重量最小 值 建议适用焊机 电流 od(mm) id (mm) ht(mm) OD (mm) ID (mm) HT (mm) (cm2) (cm) (g)(A) ONL-503220 50 32 20 53 28 23 1.35 12.8 125 120, 140, 160 ONL-644020 64 40 20 66 37 23 1.68 16.3 200 160, 180 ONL-704020 70 40 20 73 38 24 2.16 17.3 270 180, 200 ONL-704025 70 40 25 72 37 28 2.63 17.3 330 180, 200 ONL-755025 * 75 50 25 77 47 28 2.19 19.6 310 180, 200 ONL-805020 80 50 20 82 46 23 2.1 20.4 300 160, 180, 200 ONL-805 025 80 50 25 85 44 30 2.63 20.4 390 200, 250, 300 ONL-1006020 100 60 20 105 56 23 2.8 25.1 510 315, 350, 400 ONL-1056030 105 60 30 110 56 35 5.06 25.9 945 315, 350, 400 ONL-1206030 120 60 30 125 57 35 6.3 28.3 1280 400, 500, 630 ONL-1206040 * 120 60 40 125 57 45 8.4 28.3 1710 500, 630 ONL-1207020 120 70 20 125 67 25 3.5 29.8 750 350, 400, 500 ONL-1207025 120 70 25 125 67 30 4.38 29.8 940 315, 350, 400 ONL-1207030 120 70 30 125 67 35 5.25 29.8 1130 500, 630, 800 ONL-1207040 * 120 70 40 125 67 45 7 29.8 1500 500, 630, 800, ONL-1308040 130 80 40 136 76 45 7 33 1660 500, 630, 800 ONL-17011050 * 170 110 5 0 176 104 56 10.5 43.96 3320 1000, 1250, 1600 注:可以根据用户要求提供其它规格的铁芯。 纳米晶主变铁芯二代产品 相比一代逆变主变压器铁芯,二代铁芯减小了发热量,在同等工作条件可以选择更加小型化的铁芯,满足焊机行业轻量化、小型化的发展要求。

反激变压器设计实例(一)

反激变压器设计实例(一) 目录 1.导论 (1) 2.磁芯参数和气隙的影响 (1) 2.1 AC极化 (2) 2.2 AC条件中的气隙影响 (2) 2.3 DC条件中的气隙影响 (2) 3. 110W反激变压器设计例子 (3) 3.1 步骤1,选择磁芯尺寸 (3) 3.2 步骤2,选择导通时间 (5) 3.3 步骤3,变换器最小DC输入电压的计算 (5) 3.4 步骤4,选择工作便宜磁通密度 (5) 3.5 步骤5,计算最小原边匝数 (6) 3.6 步骤6,计算副边匝数 (6) 3.7 步骤7,计算附加匝数 (7) 3.8 步骤8,确定磁芯气隙尺寸 (7) 3.9 步骤9,磁芯气隙尺寸(实用方法) (8)

3.10 步骤10,计算气隙 (8) 3.11 步骤11,检验磁芯磁通密度和饱和裕度 (9) 4 反激变压器饱和及暂态影响 (10) 1.导论 由于反激变换器变压器综合了许多功能(储存能量、电隔离、限流电感),并且还常常支持相当大的直流电流成分,故比直接传递能量的正激推挽变压器的设计困难得多、以下变压器设计例子中没选择过程使用反复迭代方法,无论设计从哪里开始没开始时须有大量近似的计算。没有经验工程师的问题是要得到对控制因数的掌握。特别的,磁芯大小、原边电感的选择、气隙的作用、原边匝数的选择以及磁芯内交流和直流电流(磁通)成分的相互作用常常给反激变压器设计带来挑战。 为使设计者对控制因数有好的感觉,下面的设计由检查磁芯材料的特性和气隙的影响开始,然后检查交流和直流磁芯极化条件,最后给出100W变压器的完整设计。 2.磁芯参数和气隙的影响 图1表示一个铁氧体变压器在带有和不带气隙时典型的B/H(磁滞回归线)环。 注意到虽然B/H环的磁导率(斜率)随气隙的长度变化,但磁芯和气隙结合后的饱和磁通密度保持不变。进一步,在有气隙的情况下,磁场强度H越大,剩磁通密度B r越低。这些变化对反激变压器非常有用。

反激变压器设计步骤及变压器匝数计算

1. 确定电源规格. 输入电压范围Vin=85 —265Vac; 输出电压/ 负载电 流:Vout1=5V/10A,Vout2=12V/1A; 变压器的效率?=0.90 2. 工作频率和最大占空比确定. 取: 工作频率fosc=100KHz, 最大占空比Dmax=0.45. T=1/fosc=10us.Ton(max)=0.45*10=4.5us Toff=10-4.5=5.5us. 3. 计算变压器初与次级匝数比n(Np/Ns=n). 最低输入电压Vin(min)=85* “2-20=100Vdc( 取低频纹波为20V). 根据伏特- 秒平衡,有: Vin(min)* Dmax= (Vout+Vf)*(1-Dmax)*n. n= [Vin(min)* Dmax]/ [(Vout+Vf)*(1-Dmax)] n=[100*0.45]/[(5+1.0)*0.55]=13.64 4. 变压器初级峰值电流的计算. 设+5V输岀电流的过流点为120%;+5v 和+12v整流二极管的正向压降均为 1.0V. +5V 输出功率Pout1=(V01+Vf)*I01*120%=6*10*1.2=72W +12V 输岀功率 Pout2=(V02+Vf)*I02=13*1=13W 变压器次级输岀总功率Pout=Pout1+Pout2=85W 1/2*(Ip1+Ip2)*Vin(min)*Ton(max)/T= Pout/ Ip1=2*Pout/[?(1+k)*Vin(min)*Dmax] =2*85/[0.90*(1+0.4)*100*0.45] =3.00A Ip2=0.4*Ip1=1.20A 5. 变压器初级电感量的计算. 由式子Vdc=Lp*dip/dt, 得: Lp= Vin(min)*Ton(max)/[Ip1-Ip2] =100*4.5/[3.00-1.20] =250uH 6. 变压器铁芯的选择. 根据式子Aw*Ae=P t*106/[2*ko*kc*fosc*Bm*j*?], 其中: Pt( 变压器的标称输岀功率)= Pout=85W Ko( 窗口的铜填充系数)=0.4 Kc( 磁芯填充系数)=1( 对于铁氧体), 变压器磁通密度Bm=1500 Gs j( 电流密度): j=5A/mm2; Aw*Ae=85*106/[2*0.4*1*100*103*1500Gs*5*0.90]

电感和反激变压器设计

电感和反激变压器设计 滤波电感,升压电感和反激变压器都是“功率电感”家族的成员。它们的功能是从源取得能量,存储在磁场中,然后将这些能量(减去损耗)传输到负载。反激变压器实际上是一个多绕组的耦合电感。与上一章变压器不同,变压器不希望存储能量,而反激变压器首先要存储能量,再将磁能转化为电能传输出去。耦合滤波电感不同于反激变压器,反激变压器先储能后释放;而耦合滤波电感同时储能,同时释放。 8.1 应用场合 应用电路拓扑、工作频率以及纹波电流等不同,电感设计考虑的因素也不同。用于开关电源(参看图8-1)的电感有: ①单线圈电感-输出滤波电感(Buck )、升压电感(Boost )、反激电感(Buck-Boost )和输入滤波电感。 ②多线圈电感-耦合输出滤波电感、反激变压器。 ③EMI 共模滤波电感。电路中,电感有两个工作模式(图8-2): ①电感电流断续模式-瞬时安匝(在所有线圈中)在每个开关周期内有一部分时间停留在零状态。②电感电流连续模式-在一个周期内,电感电流尽管可以过零(如倍流电路中滤波电感),电感的安匝(磁势) 没有停留在零的时间。 在电流连续模式中,纹波电流通常非常小(同步整流除外), 线圈交流损耗和磁芯交流损耗一般不重要,尽可能选择较大的磁 通密度以便减少电感的体积,饱和是限制选择磁通密度大小的主 要因素。但在电流断续模式中交流损耗占主导地位,磁芯和线圈 设计与第7章正激变压器相似,主要考虑的是磁芯损耗和线圈的交直流损耗引起的温升和对效率的影响。 8.1.1输出滤波电感(Buck ) 正激类输出滤波电感和Buck 变换器输出电感(图8-1(a))相同, 一般工作在电流连续模式(图8-2(b))。电感量为 L U T I U T kI U D D kfI o of o of o i o ≥== ??212() (8-1) 式中 U i -电感输入端电压(V); D -T on /T -占空度; U o =DU i -输出电压(V); f =1/T -开关频率(Hz ); I o -输出电流(A ); T on , T of =T - T on -输入电压的高电平(导通)时间和低电平(截止)时间。k =ΔI /2I o 。 允许的纹波电流ΔI 越小,即k 越小,电感L 越大,电流纹波越小,可以选择较小的滤波电容; U o U o U o o (d)反激变压器 图8-1 电感应用 I (b)连续模式图8-2 电感电流模式

变压器的设计

目录 目录_________________________________________________________________________ 1摘要_____________________________________________________________________ 2 一、变压器的基本结构 ________________________________________________________ 3 二、变压器的工作原理________________________________________________________ 4 1.电压变换_______________________________________________________________ 4 2.电流变换_______________________________________________________________ 5 三、设计内容________________________________________________________________ 5 1、额定容量的确定 _______________________________________________________ 5 2、铁心尺寸的选定_______________________________________________________ 6 3、计算绕组线圈匝数______________________________________________________ 8 4、计算各绕组导线的直径并选择导线________________________________________ 9 5、计算绕组的总尺寸,核算铁芯窗口的面积_________________________________ 10四设计实例________________________________________________________________ 11 4.1 设计要求 ____________________________________________________________ 11 4.2计算变压器参数_______________________________________________________ 12五总结_____________________________________________________________________ 15参考文献____________________________________________________________________ 15附录

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