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智能伺服变压器:高频变压器设计与应用

2018-05-04 08:11:11 德州信平电子有限公司 阅读

高频变压器应用与设计;高频变压器也叫脉冲变压器,是工作频率超过中频(10kHz)的电源变压器,主要有开关电源高频变压器和逆变电源高频变压器。按工作频率高低,可分为几个档次:10kHz- 50kHz、50kHz-100kHz、100kHz~500kHz、500kHz~1MHz、1MHz以上。

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一.高频变压器应用

 典型的半桥式变压电路中最为显眼的是三只高频变压器:功率变压器、驱动变压器和辅助变压器,每种高频变压器在国家规定中都有各自的衡量标准,比如功率变压器,只要是200W以上的电源,其磁芯直径不得小于35mm。而辅助变压器,在电源功率不超过300W时磁芯直径16mm就够了。高频变压器是非标器件,所以一般不能选用,只能设计。

例如:做一个12V2A的电源怎样选取高频变压器?

首先,根据工作频率、电路拓扑和输出功率利用公式或者经验来选择高频变压器磁芯的类型,及磁芯的大小规格、有时还要考虑工作环境(例如温度、使用场合、是否密封等),一般是反激电路、60KHZ左右频率,用EE25或者EE28就可以了。逆变频率达到120KHz,必须使用材质比较好的铁芯,比如铁硅铝磁芯。首先要看要制作的产品的形状,比如环形变压器或是EI型变压器等等。确定使用的变压器类型后,先计算出变压器的总视在功率Pt. 根据总负载功率,计算出磁芯面积乘积AP,然后根据AP数值就可以查找出所用的磁芯型号了。依据磁芯型号的参数就可以计算出初级绕组圈数、电流。然后根据初级匝数、输入输出电压、占空比计算次级和偏置匝数及线径。接下来就是调试和调整啦。可以正常工作的高频变压器参数有很多种,但最佳状态只有一个,计算是先让其工作,调整就是寻找最佳状态啦。

高频变压器应用广泛;例如:手机充电器,电子镇流器,开关电源,彩电电源,电脑电源,液晶驱动及电源等都会用到高频变压器。相对于低频变压器而言,高频变压器可减小空间(变压器体积小),提高工作效率。高频变压器的主要作用就是能量的传递或能量的储存,这要看开关电源的工作模式。正激式是作能量传递,反激式是作能量的储存及传递。当然还有隔离和变比之类的作用。就拿传递能量来说,举个列子,一只老鼠和一只大象搬运东西,大象虽然运得多,但是速度慢,而老鼠最然运得少,但是速度快,所以同样多的东西,只要速度够快,体积小点同样可以完成。这就是变压器高频化可以减小变压器体积的原因。所有高频变压器应用都是将电能转化为磁能,然后把磁能转换为电能,同时利用匝比的关系得到需要的电压。

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二.高频变压器参数设计

一、电磁学计算公式推导:

1、磁通量与磁通密度相关公式:

Ф= B * S⑴

Ф-----磁通(韦伯)

B -----磁通密度(韦伯每平方米或高斯) 1韦伯每平方米=104高斯

S -----磁路的截面积(平方米)

B = H *μ⑵

μ-----磁导率(无单位也叫无量纲)

H -----磁场强度(伏特每米)

H = I*N / l⑶

I -----电流强度(安培)

N -----线圈匝数(圈T)

l -----磁路长路(米)

2、电感中反感应电动势与电流以及磁通之间相关关系式:

EL =⊿Ф/⊿t * N⑷

EL =⊿i /⊿t * L⑸

⊿Ф-----磁通变化量(韦伯)

⊿i -----电流变化量(安培)

⊿t -----时间变化量(秒)

N -----线圈匝数(圈T)

L -------电感的电感量(亨)

由上面两个公式可以推出下面的公式:

⊿Ф/⊿t * N =⊿i /⊿t * L变形可得:

N =⊿i * L/⊿Ф

再由Ф= B * S可得下式:

N =⊿i * L / ( B * S )⑹

且由⑸式直接变形可得:

⊿i = EL *⊿t / L⑺

联合⑴⑵⑶⑷同时可以推出如下算式:

L =(μ* S )/ l * N2⑻

这说明在磁芯一定的情况下电感量与匝数的平方成正比(影响电感量的因素)

3、电感中能量与电流的关系:

QL = 1/2 * I2 * L⑼

QL --------电感中储存的能量(焦耳)

I --------电感中的电流(安培)

L -------电感的电感量(亨)

4、根据能量守恒定律及影响电感量的因素和联合⑺⑻⑼式可以得出初次级匝数比与占空比的关系式:

N1/N2 = (E1*D)/(E2*(1-D))⑽

N1 --------初级线圈的匝数(圈) E1 --------初级输入电压(伏特)

N2 --------次级电感的匝数(圈) E2 --------次级输出电压(伏特)

二、根据上面公式计算变压器参数:

1、高频变压器输入输出要求:

输入直流电压:200--- 340 V

输出直流电压:23.5V

输出电流:2.5A * 2

输出总功率:117.5W

2、确定初次级匝数比:

次级整流管选用VRRM =100V正向电流(10A)的肖特基二极管两个,若初次级匝数比大则功率所承受的反压高匝数比小则功率管反低,这样就有下式:

N1/N2 = VIN(max) / (VRRM * k / 2)⑾

N1 -----初级匝数VIN(max) ------最大输入电压k -----安全系数

N2 -----次级匝数Vrrm ------整流管最大反向耐压

这里安全系数取0.9

由此可得匝数比N1/N2 = 340/(100*0.9/2)≌7.6

3、计算功率场效应管的最高反峰电压:

Vmax = Vin(max) + (Vo+Vd)/ N2/ N1⑿

Vin(max) -----输入电压最大值Vo -----输出电压

Vd -----整流管正向电压

Vmax = 340+(23.5+0.89)/(1/7.6)

由此可计算功率管承受的最大电压: Vmax≌525.36(V)

4、计算PWM占空比:

由⑽式变形可得:

D = (N1/N2)*E2/(E1+(N1 /N2*E2)

D=(N1/N2)*(Vo+Vd)/Vin(min)+N1/N2*(Vo+Vd)⒀

D=7.6*(23.5+0.89)/200+7.6*(23.5+0.89)

由些可计算得到占空比D≌0.481

5、算变压器初级电感量:

为计算方便假定变压器初级电流为锯齿波,也就是电流变化量等于电流的峰值,也就是理想的认为输出管在导通期间储存的能量在截止期间全部消耗完。那么计算初级电感量就可以只以PWM的一个周期来分析,这时可由⑼式可以有如下推导过程:

(P/η)/ f = 1/2 * I2 * L⒁

P -------电源输出功率(瓦特)η----能量转换效率f ---- PWM开关频率将⑺式代入⒁式:

(P/η)/ f = 1/2 * (EL *⊿t / L)2 * L⒂

⊿t = D / f (D ----- PWM占空比)

将此算式代入⒂式变形可得:

L = E2 * D2 *η/ ( 2 * f * P )⒃

这里取效率为85%,PWM开关频率为60KHz.

在输入电压最小的电感量为:

L=2002* 0.4812 * 0.85 / 2 * 60000 * 117.5

计算初级电感量为: L1≌558(uH)

计算初级峰值电流:

由⑺式可得:

⊿i = EL *⊿t / L = 200 * (0.481/60000 )/ (558*10-6)

计算初级电流的峰值为: Ipp≌2.87(A)

初级平均电流为:I1 = Ipp/2/(1/D) = 0.690235(A)

6、计算初级线圈和次级线圈的匝数:

磁芯选择为EE-42(截面积1.76mm2)磁通密度为防治饱和取值为2500高斯也即0.25特斯拉,这样由⑹式可得

初级电感的匝数为:

N1=⊿i * L / ( B * S ) = 2.87 * (0.558*10-3)/0.25*(1.76*10-4)

计算初级电感匝数: N1≌36 (匝)

同时可计算次级匝数:N2≌5 (匝)

7、计算次级线圈的峰值电流:

根据能量守恒定律当初级电感在功率管导通时储存的能量在截止时在次级线圈上全部释放可以有下式:

由⑻⑼式可以得到:

Ipp2=N1/N2* Ipp⒄

Ipp2 = 7.6*2.87

由此可计算次级峰值电流为:Ipp2 = 21.812(A)

次级平均值电流为I2=Ipp2/2/(1/(1-D))= 5.7(A)

8、计算激励绕组(也叫辅助绕组)的匝数:

因为次级输出电压为23.5V,激励绕组电压取12V,所以为次级电压的一半

由此可计算激励绕组匝数为: N3≌N2 / 2≌3 (匝)

激励绕组的电流取: I3 = 0.1(A)


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