变压器基础知识实用教案

1、高频变压器设计(shj)程序：1.磁芯材料 2.磁芯结构3.磁芯参数 4.线圈参数5.组装结构 6.温升校核 2021-12-11第1页/共30页第一页，共31页。1.1.磁芯材料 软磁铁氧体由于自身的特点在开关电源中应用很广泛。其优点是电阻率高、交流涡流损耗小，价格便宜，易加工成各种形状的磁芯。缺点是工作磁通密度低，磁导率不高，磁致伸缩大，对温度变化比较敏感。选择(xunz)(xunz)哪一类软磁铁氧体材料更能全面满足高频变压器的设计要求，进行认真考虑，才可以使设计出来的变压器达到比较理想的性能价格比。2021-12-12第2页/共30页第二页，共31页。2.2.磁芯结构 选择磁芯结构时考虑

2、的因数(ynsh)(ynsh)有：降低漏磁和漏感，增加线圈散热面积，有利于屏蔽，线圈绕线容易，装配接线方便等。 漏磁和漏感与磁芯结构有直接关系。如果磁芯不需要气隙，则尽可能采用封闭的环形和方框型结构磁芯。2021-12-13第3页/共30页第三页，共31页。2021-12-14第4页/共30页第四页，共31页。3.3.磁芯参数： 磁芯参数设计中，要特别注意工作磁通密度不只是受磁化曲线限制，还要受损耗的限制，同时还与功率传送的工作方式有关(yugun)(yugun)。 磁通单方向变化时：B=Bs-BrB=Bs-Br，既受饱和磁通密度限制，又更主要是受损耗限制，（损耗引起温升，温升又会影响磁通密度

3、）。工作磁通密度Bm=0.6Bm=0.60.7B0.7B 开气隙可以降低Br,Br,以增大磁通密度变化值BB，开气隙后，励磁电流有所增加，但是可以减小磁芯体积。对于磁通双向工作而言： 最大的工作磁通密度BmBm，B=2BmB=2Bm。在双方向变化工作模式时，还要注意由于各种原因造成励磁的正负变化的伏秒面积不相等，而出现直流偏磁问题。可以在磁芯中加一个小气隙，或者在电路设计时加隔直流电容。2021-12-15第5页/共30页第五页，共31页。2021-12-16第6页/共30页第六页，共31页。4.4.线圈参数： 线圈参数包括：匝数，导线截面（直径），导线形式，绕组排列和绝缘安排。 导线截面（直

4、径）决定于绕组的电流密度。通常取J J为2.52.54A/mm24A/mm2。导线直径的选择(xunz)(xunz)还要考虑趋肤效应。如必要，还要经过变压器温升校核后进行必要的调整。2021-12-17第7页/共30页第七页，共31页。4.4.线圈参数： 一般用的绕组排列方式：原绕组靠近磁芯，副绕组反馈绕组逐渐向外排列。下面推荐两种绕组排列形式：1 1）如果原绕组电压高（例如220V220V），副绕组电压低，可以采用副绕组靠近磁芯，接着绕反馈绕组，原绕组在最外层的绕组排列形式，这样(zhyng)(zhyng)有利于原绕组对磁芯的绝缘安排；2 2）如果要增加原副绕组之间的耦合，可以采用一半原绕组

5、靠近磁芯，接着绕反馈绕组和副绕组，最外层再绕一半原绕组的排列形式，这样(zhyng)(zhyng)有利于减小漏感。2021-12-18第8页/共30页第八页，共31页。5.5.组装结构： 高频电源变压器组装结构分为卧式和立式两种。如果选用(xunyng)(xunyng)平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯，都采用卧式组装结构。6.6.温升校核： 温升校核可以通过计算和样品测试进行。实验温升低于允许温升1515度以上，适当增加电流密度和减小导线截面，如果(rgu)(rgu)超过允许温升，适当减小电流密度和增加导线截面，如增加直径，窗口绕不下，要加大磁芯，增加磁芯的散热面积。2021-12-19第9页/共

6、30页第九页，共31页。功率变压器根据(gnj)(gnj)拓扑结构分为三大类：（1 1）反激式变压器；（2 2）正激式变压器；（3 3）推挽式变压器（全桥/ /半桥变换器中的变压器）磁芯结构适合的拓扑结构形式如下页表所示：2021-12-110第10页/共30页第十页，共31页。磁芯结构变换器电路类型反激式正激式推挽式E cores +0Planar E Cores -+0EFD Cores -+ETD Cores 0+ER Cores 0+U Cores +00RM Cores 0+0EP Cores -+0P Cores -+0Ring Cores -+=+=适合(shh)(shh)； 0

7、= 0=一般；-=-=不适合(shh) (shh) 2021-12-111第11页/共30页第十一页，共31页。磁芯材料的选择应注意的问题： 1、软磁铁氧体，由于具有价格低、适应性能和高频性能好等特点，而被广泛应用于开关电源中。 2、软磁铁氧体，常用的分为锰锌铁氧体和镍锌铁氧体两大系列，锰锌铁氧体的组成部分是Fe2O3，MnCO3，ZnO，它主要应用在1MHz以下的各类滤波器、电感器、变压器等，用途广泛。而镍锌铁氧体的组成部分是Fe2O3，NiO，ZnO等，主要用于1MHz以上的各种调感绕组、抗干扰磁珠、共用天线匹配器等。 3、在开关电源中应用最为广泛的是锰锌铁氧体磁心，而且视其用途不同，材料

8、选择也不相同(xin tn)。用于电源输入滤波器部分的磁心多为高导磁率磁心，其材料牌号多为R4KR10K，即相对磁导率为400010000左右的铁氧体磁心，而用于主变压器、输出滤波器等多为高饱和磁通密度的磁性材料，其Bs为0.5T（即5000GS）左右。2021-12-112第12页/共30页第十二页，共31页。磁芯材料的选择应注意的问题： 1、软磁铁氧体，由于具有价格低、适应性能和高频性能好等特点，而被广泛应用于开关电源中。 2、软磁铁氧体，常用的分为锰锌铁氧体和镍锌铁氧体两大系列，锰锌铁氧体的组成部分是Fe2O3，MnCO3，ZnO，它主要应用在1MHz以下的各类滤波器、电感器、变压器等，

9、用途广泛。而镍锌铁氧体的组成部分是Fe2O3，NiO，ZnO等，主要用于1MHz以上的各种调感绕组、抗干扰磁珠、共用天线匹配器等。 3、在开关电源中应用最为广泛的是锰锌铁氧体磁心，而且视其用途不同，材料选择也不相同。用于电源输入滤波器部分的磁心多为高导磁率磁心，其材料牌号多为R4KR10K，即相对磁导率为400010000左右(zuyu)的铁氧体磁心，而用于主变压器、输出滤波器等多为高饱和磁通密度的磁性材料，其Bs为0.5T（即5000GS）左右(zuyu)。2021-12-113第13页/共30页第十三页，共31页。开关电源用铁氧体磁性材应满足以下要求： （1）具有较高的饱和磁通密度Bs和较

10、低的剩余磁通密度Br 磁通密度Bs的高低，对于变压器和绕制结果有一定(ydng)影响。从 理论上讲，Bs高，变压器绕组匝数可以减小，铜损也随之减小 在实际应用中，开关电源高频变换器的电路形式很多，对于变 压器而言，其工作形式可分为两大类： 1）双极性：电路为半桥、全桥、推挽等。变压器一次绕组里正负半周励磁电流大小(dxio)相等，方向相反，因此对于变压器磁心里的磁通变化，也是对称的上下移动，B的最大变化范围为B=2Bm，磁心中的直流分量基本抵消。 2）单极性：电路为单端正激、单端反激等，变压器一次绕组在1个周期内加上1个单向的方波脉冲电压（单端反激式如此）。变压器磁心单向励磁，磁通密度在最大值

11、Bm到剩余磁通密度Br之间变化，这时的B=BmBr，若减小Br，增大饱和磁通密度Bs，可以提高B，降低匝数，减小铜耗。 2021-12-114第14页/共30页第十四页，共31页。 变压器或者电感根据在拓扑结构中的工作方式分为三大类：1 1、直流滤波电感工作状态，电感磁芯只工作在一个象限。属于这类工作状态的电感有BoostBoost电感、BuckBuck电感、Buck/boostBuck/boost电感、正激以及所有推挽拓扑变换器输出滤波电感、单端反激变换器变压器； 2 2、正激变换器中的变压器，磁芯也只工作在一个象限，但变压器要进行磁复位。 3 3、 推挽拓扑中的变压器，磁芯是双向交变(ji

12、o (jio bin)bin)磁化，属于这类的变换器有推挽变换器、半桥和全桥变换器、交流滤波电感等。2021-12-115第15页/共30页第十五页，共31页。（2）在高频下具有较低的功率损耗 铁氧体的功率损耗，不仅影响电源输出效率，同时会导致磁心发热(f r)，波形畸变等不良后果。 变压器的发热(f r)问题，在实际应用中极为普遍，它主要是由变压器的铜损和磁心损耗引起的。如果在设计变压器时，Bm选择过低，绕组匝数过多，就会导致绕组发热(f r)，并同时向磁心传输热量，使磁心发热(f r)。反之，若磁心发热(f r)为主体，也会导致绕组发热(f r)。 选择铁氧体材料时，要求功率损耗随温度的变

13、化呈负温度系数关系。这是因为，假如磁心损耗为发热(f r)主体，使变压器温度上升，而温度上升又导致磁心损耗进一步增大，从而形成恶性循环，最终将使功率管和变压器及其他一些元件烧毁。因此国内外在研制功率铁氧体时，必须解决磁性材料本身功率损耗负温度系数问题，这也是电源用磁性材料的一个显著特点，日本TDK公司的PC40及国产的R2KB等材料均能满足这一要求。 2021-12-116第16页/共30页第十六页，共31页。（3）适中的磁导率 相对磁导率究竟选取多少合适呢？这要根据实际线路的开关频率来决定，一般相对磁导率为2000的材料，其适用频率在300kHz以下，有时也可以高些，但最高不能高于500kH

14、z。对于高于这一频段的材料，应选择磁导率偏低一点的磁性材料，一般为1300左右。 （4）较高的居里温度 居里温度是表示磁性材料失去磁特性的温度，一般材料的居里温度在200以上，但是变压器的实际工作温度不应高于80，这是因为在100以上时，其饱和磁通密度Bs已跌至常温时的70。因此过高的工作温度会使磁心的饱和磁通密度跌落的更严重。再者，当高于100时，其功耗已经呈正温度系数，会导致恶性循环( xng xn hun)。对于R2KB2材料，其允许功耗对应的温度已经达到110，居里温度高达240，满足高温使用要求。 2021-12-117第17页/共30页第十七页，共31页。变压器的设计(shj)原则

15、及方法设计(shj)变压器主要有很两种方法：面积积AP法 AP：磁芯截面积Ae与线圈有效窗口面积Aw的乘积。 PT-变压器的计算功率Ae-磁芯有效截面积Aw-磁芯窗口面积Ko-磁芯窗口利用系数，典型值为0.4Kf-波形系数，方波为4，正弦波为4.44Bw-磁芯的工作磁感强度Fs-开关工作频率Kj-电流密度系数，取395A/cm2X-磁芯结构系数，P107表3-82021-12-118第18页/共30页第十八页，共31页。按照功率变压器的设计方法，用面积积AP法设计变压器的一般(ybn)步骤：1 .选择磁芯材料，计算变压器的视在功率；2. 确定磁芯截面尺寸AP，根据AP值选择磁芯尺寸；3. 计算

16、原副边电感量及匝数；4. 计算空气隙的长度；5. 根据电流密度和原副边有效值电流求线径；6. 求铜损和铁损是否满足要求（比如：允许损耗和温升）2021-12-119第19页/共30页第十九页，共31页。1.1. 选择磁芯材料(cilio)(cilio)，确定变压器的视在功率PTPT；2.2. 考虑成本因数在此选择PC40PC40材质，查PC40PC40资料得3.3. Bs=0.39T Br=0.06T Bs=0.39T Br=0.06T max0.390.060.33srBBBTTT 为了防止磁芯的瞬间出现饱和(boh)(boh)，预留一定裕量，取 Bm= Bmax Bm= Bmax* *0.

17、6=0.198T 0.6=0.198T 取0.2T0.2T电源的基本参数如右：选择(xunz)(xunz)反激拓扑。2021-12-120第20页/共30页第二十页，共31页。2. 2. 计算(j sun)AP (j sun)AP （用ExcelExcel表格来计算(j sun)AP(j sun)AP值）变压器视在功率(sh zi n l)PT(sh zi n l)PT：对于反激拓扑来说，(21 1)*3(21 1)*3148.50.8outTinoutoutPPPPPW44*100.783*1000*TmsuPAPcmBfJK式中： J J电流密度，通常取395A/cm2; 395A/cm2

18、; KuKu是铜窗有效使用系数，根据安规要求和输出路数决定，一般(ybn)(ybn)取0.20.20.40.4。在此计算取0.40.42021-12-121第21页/共30页第二十一页，共31页。 根据上图，选择大于计算(j sun)AP(j sun)AP值的磁芯EE3528EE3528，相关参数是： Ae:84.8mm2 AP Ae:84.8mm2 AP：1.3398cm41.3398cm4 Wa Wa：158mm2 AL158mm2 AL：2600nH/H22600nH/H22021-12-122第22页/共30页第二十二页，共31页。 反为了适应突变的负载电流(dinli)(dinli)

19、，把电源设计在临界模式：临界电流(dinli)I0B=0.8(dinli)I0B=0.8I0=2.4A I0=2.4A 3. 3. 计算(j sun)(j sun)原、副边电感量及匝数2021-12-123第23页/共30页第二十三页，共31页。原、副边峰值(fn zh)(fn zh)电流 原、副边及辅助(fzh)(fzh)绕组的匝数2021-12-124第24页/共30页第二十四页，共31页。 为了避免磁芯饱和，在磁回路中加入(jir)(jir)一个适当的气隙，计算如下：2820.4*10l0.4 * 3.14156 *106* 84.80.831434 * 0.001pegpNALm md

20、1.13*0.346prmswpImmJ 5. 5.原、副边及辅助绕组(roz)(roz)的线径有两种方法：1 1、求裸线面积； 2 2、求导线直径 （J J电流密度取4A/mm2)4A/mm2) 用两根直径(zhjng)(zhjng)为0.18mm0.18mm线并绕，或者用AWG #28AWG #28单股线32*0.77A0.731*10rmsxpIcmJ 可能要用气隙磁通边缘效应校正匝数2021-12-125第25页/共30页第二十五页，共31页。 次级(c j)(c j)线径：0d1.13*1.0wpImmJ 用4 4根直径(zhjng)(zhjng)为0.25mm0.25mm（AWG

21、#31AWG #31）的线并绕。 电流趋肤深度的计算76.5*10000.31*2*0.90.558sWHfmmdmm 多股线并绕时的线径必须(bx)(bx)小于或等于dwHdwH，单线绕制时，线径如果超过dWHdWH值就要考虑采用多股线并绕。 2021-12-126第26页/共30页第二十六页，共31页。 6. 6. 计算铜损PcuPcu和铁损PfePfe（变压器总损耗Ploss)Ploss) a) a)原边和副边绕组(roz)(roz)损耗。其中，MLTMLT为磁芯的平均匝长 62622()*10*()*10*(1)*ppcupavpsscusavsoutscupcuscuRMLTNcmPIRDRMLTNcmPIRDIRPPP2021-12-127第27页/共30页第二十七页，共31页。b)b)计算在效率下允许(ynx)(ynx)的总损耗PlossPloss和允许(ynx)(ynx)