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德州信平电子有限公司

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智能伺服变压器:开关电源变压器 结构和组成

2018-07-16 08:46:24 德州信平电子有限公司 阅读

最基础的反激式变压器开关电源的简单工作原理图。

信平电子变压器

在这一电路系统中,Ui是开关电源的输入电压,T是开关变压器,K是控制开关,C是储能滤波电容,R是负载电阻。下图是反激式变压器开关电源的电压输出波形。

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开关电源变压器和开关管一起构成一个自激(或他激)式的间歇振荡器,从而把输入直流电压调制成一个高频脉冲电压。在反激式电路中,当开关管导通时,变压器把电能转换成磁场能储存起来,当开关管截止时则释放出来。在正激式电路中,当开关管导通时,输入电压直接向负载供给并把能量储存在储能电感中。当开关管截止时,再由储能电感进行续流向负载传递。

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变压器的初级电感量是202uH,参与耦合的却只有200uH,那么有2uH是漏感。次级是50uH,没有漏感。变压器的电感比是200:50,那么意味着变压器的匝比NP/NS=2:1设定瞬态扫描,时间10ms,步长10ns,稳态时的波形:

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t0时刻,MOS开通,初级电流线性上升。

t1时刻,MOS关断,初级感应电动势耦合到次级向输出电容转移能量。漏感在MOS上产生电压尖峰。输出电压通过绕组耦合,按照匝比关系反射到初级。这些和CCM模式时是一样的。这一状态维持到t2时刻结束。

t2时刻,次级二极管电流,也就是次级电感电流降到了零。这意味着磁芯中的能量已经完全释放了。那么因为二管电流降到了零,二极管也就自动截止了,次级相当于开路状态,输出电压不再反射回初级了。由于此时MOS的Vds电压高于输入电压,所以在电压差的作用下,MOS的结电容和初级电感发生谐振。谐振电流给MOS的结电容放电。Vds电压开始下降,经过1/4之一个谐振周期后又开始上升。由于RCD箝位电路的存在,这个振荡是个阻尼振荡,幅度越来越小。

t2到t3时刻,变压器是不向输出电容输送能量的。输出完全靠输出的储能电容来维持。

t3时刻,MOS再次开通,由于这之前磁芯能量已经完全释放,电感电流为零。所以初级的电流是从零开始上升的。

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绕组的电压关系——变压器基本特性

法拉第定律:

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根据法拉第定律,得出输入输出电压的关系:匝数比

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楞次定律---变压器的电流关系

闭合回路中感应电流的方向,总是使得它所激发的磁场来”阻碍”引起感应电流的磁通量的变化。

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可用作变压器磁芯的软磁材料

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选择磁性材料的关键点:

A:磁心的饱和磁密度

B:磁心的损耗(储能与放能之差)

关于饱和磁密度:

磁饱和是磁性材料的一种物理特性,指的是导磁材料由于物理结构的限制,所通过的磁通量无法无限增大,从而保持在一定数量的状态。

磁饱和是一种磁性材料的物理特性,磁饱和产生后,在有些场合是有害的,但有些场合有时有益的。比方磁饱和稳压器,就是利用铁心的磁饱和特性达到稳定电压的目的的。电源变压器,如果加上的电压大大超过额定电压,则电流剧增,变压器很快就会发热烧毁。

假定有一个电磁铁,通上一个单位电流的时候,产生的磁场感应强度是1,电流增加到2的时候,磁感应强度会增加到2.3,电流是5的时候,磁感应强度是7,但是电流到6的时候,磁感应强度还是7,如果进一步增加电流,磁感应强度都是7不再增加了,这时就说,电磁铁产生了磁饱和。

有磁芯的电感器有磁饱和问题, 在电感器中加铁氧体或其他导磁材料的磁芯, 可以利用其高导磁率的特点, 增大电感量减少匝数减小体积和提高效率. 但是由于导磁材料物理结构的限制, 通过的磁通量是不可以无限增大. 通过一定体积导磁材料的磁通量大到一定数量将不再增加, 不管你再增加电流或匝数, 就达到磁饱和了. 尤其在有直流电流的回路中, 如果其直流电流已经使磁芯饱和, 电流中的交流分量将不能再引起磁通量的变化. 电感器就失去了作用.

B-H曲线

用图形来表示某种铁磁材料在磁化过程中磁感强度B与磁场强度H之间关系的一种曲线,又叫B-H曲线。这种曲线可以通过实验方法测得。B与H之间存在着非线性关系。当H逐渐增大时,B也增加,但上升缓慢(oa段)。当H继续增大时,B急骤增加,几乎成直线上升(ab段),当H进一步增大时,B的增加又变得缓慢,达到c点以后,H值即使再增加,B却几乎不再增加,即达到了饱和。不同的铁磁材料有着不同的磁化曲线,其B的饱和值也不相同。但同一种材料,其B的饱和值是一定的。

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磁场强度和磁感应强度均为表征磁场磁场强弱和方向的物理量

磁感应强度是一个基本物理量,较容易理解,就是垂直穿过单位面积的磁力线的数量.磁感应强度可通过仪器直接测量.磁感应强度也称磁通密度,或简称磁密.常用B表示.其单位是韦伯/平方米(Wb/m^2)或特斯拉(T)

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磁场传播需经过介质(包括真空),介质因磁化也会产生磁场,这部分磁场与源磁场叠加后产生另一磁场.或者说,一个磁场源在产生的磁场经过介质后,其磁场强弱和方向变化了

为了描述磁场源的特性,也为了方便数学推导,引入一个与介质无关的物理量H,H=B/u0-M,式中,u0为真空磁导率,M为介质磁化强度.这个物理量,就是磁场强度.磁场强度的单位是安/米(A/m)。

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简单的说:B是结果(最后产生的磁感应结果)、H是外因(外界对介质施加单的磁的强度)。

磁损曲线

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磁心的Bmax的选择方法

f

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f*B: 表现一个材料在一个频率下所能通过的B的能力

A.频率提高, 磁能材料能够通过功率的能力提高

B.频率提高到一定程度,会有一个更好的高频材料来接替

一般情况下,需通过设计保证Bm(最大磁通密度)小于或远小于Bs(饱和磁通密度),而工作磁通密度是-Bm~Bm间的任意一个数值。特殊情况下,可有Bm=Bs

一般情况下

fs<150KHz,Bmax取决于Bs,

假设fs=100KHz,取Bs的80%为基准,材质3C96 ,Bmax=0.5*80%*Bs=136mT

fs>300KHz, Bmax取决磁损Pcv

假设频率fs=400KHz,取单位磁损为300mw/cc,材质N49, Bmax=32000HzT/400KHz=80mT

fs在150K至300K之间时, Bs和Pcv都考虑,取其小值.

假设频率fs=200KHz, 材料3C96,Pcv<300mw/cc

B1=0.5*80%*Bs=136mT;B2=28000HzT/200KHz=140mT,

取B1和B2中的小值作为Bmax=136mT

选择磁心的形状

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形状分类

特点

适用情况

EE,ER,EC,ETD

常规铁心,价格低廉,窗口面积大,大功率时易作安规.

小功率的辅助电源,大功率电源,

应用于功率密度较低的场合

EFD

平面化的EE类铁心

应用情况同上,应用于功率密度较低,且要求Low Profile,表贴或沉降式结构

PQ,RM

窗口面积较EE类的小,而Ae较EE类的大,

应用于高功率密度的条件.

也适于作输出电感或PFC电感

窗口开口较小,不适合作很多路输出变压器

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形状分类

特点

适用情况

PJ

POT Core的改进版,Ae大窗口小,磁屏蔽效果好;高度较矮

用于高功率密度且对高度有一定要求的变压器设计;不适合飞线,不适合使用Margin tape做安规

EQ

PJ,PQ的改进版,窗口条件比PJ好,高度和Ae比PQ好;磁屏蔽效果不如PJ


Planar EE

低高度,Ae大,窗口小;中柱长宽比大,不适于绕线

应用于PCB绕组等预制好的绕组的变压器和电感器

导线:

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线架 Bobbin:

顾名思义,Bobbin(线架或骨架) 在变压器中起支撑 Coil(线圈) 的作用。

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Bobbin 的分类:

1、依据变压器的性质要求不同,按材质分为:热塑性材料,热固性材料。

热塑性材料我们常用的有尼龙(NYLON) ,塑料(PET) ,塑料( PBT) 三种。热

固性材料我们常用到的有电木(PM) 。

2、依据变压器的形状不同,Bobbin 又分为立式,卧式,子母式,抽屉式,单元格,双格。

特性及用途:

1、电木(PM) :热固性材料,稳定性高,不易变形,耐温 150°C,可承受 370°C 的高

温。表面光滑,易碎,不能回收。用于耐温较高的变压器。

2、尼龙(NYLON) :热塑性材料,工程塑料,延展性好,不易碎,耐温 115°C,易吸水,使用前先用 80°C 的温度烘烤,使固性稳定。表面光滑,半透明,不易碎。一般用于耐油性强的变压器上。

3、塑料(PET) :热塑性材料,510 系统,硬性高,易成形。不易变形,耐温 170°C,表面不光滑,不易碎,一般用于绕线管。

4、塑料(PBT) :热塑性材料,较软,不易变形,不耐高温(160°C) ,表面不光滑,不易碎一般用于绕线管


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