电源高频变压器的设计方法

电源高频变压器的设计方法设计高频变压器是电源设计过程中的难点，下面以反馈式电流不连续电源高频变压器为例，向大家介绍一种电源高频变压器的设计方法。设计目标：电源输入交流电压在180V~260V之间，频率为50Hz，输出电压为直流5V、14A，功率为70W，电源工作频率为30KHz。设计步骤：计算高频变压器初级峰值电流Ipp由于是电流不连续性电源，当功率管导通时，电流会达到峰值，此值等于功率管的峰值电流。由电感的电流和电压关系V=L*di/dt可知：输入电压：Vin(min)=Lp*Ipp/Tc取1/Tc=f/Dmax，则上式为：Vin(min)=Lp*Ipp*f/Dmax其中：Vin：直流输入电压，VLp：高频变压器初级电感值，mHIpp：变压器初级峰值电流，ADmax：最大工作周期系数f：电源工作频率，kHz在电流不连续电源中，输出功率等于在工作频率下的每个周期内储存的能量，其为：Pout=1/2*Lp*Ipp2*f将其与电感电压相除可得：Pout/Vin(min)=Lp*Ipp2*f*Dmax/(2*Lp*Ipp*f)由此可得：Ipp=Ic=2*Pout/(Vin(min)*Dmax)其中：Vin(min)=1.4*Vacin(min)-20V(直流涟波及二极管压降)=232V，取最大工作周期系数Dmax=0.45。则：Ipp=Ic=2*Pout/(Vin(min)*Dmax)=2*70/(232*0.45)=1.34A当功率管导通时，集极要能承受此电流。求最小工作周期系数Dmin在反馈式电流不连续电源中，工作周期系数的大小由输入电压决定。Dmin=Dmax/[(1-Dmax)*k+Dmax]其中：k=Vin(max)/Vin(min)Vin(max)=260V*1.4-0V(直流涟波)=364V，若允许10%误差，Vin(max)=400V。Vin(min)=232V，若允许7%误差，Vin(min)=216V。由此可得：k=Vin(max)/Vin(min)=400/216=1.85Dmin=Dmax/[(1-Dmax)*k+Dmax]=0.45/[(1-0.45)*1.85+0.45]=0.31因此，当电源的输入直流电压在216V~400V之间时，工作周期系数D介于0.31~0.45之间。计算高频变压器的初级电感值LpLp=Vin(min)*Dmax/(Ipp*f)=216*0.45/(1.34*30*103)=2.4mH计算出绕组面积Aw和铁心有效面积Ae的乘积Aw*Ae,选择铁心尺寸。如果我们只绕初级于线架上，则：Aw*Ae=(6.33*Lp*Ipp*d2)*108/Bmax其中：d为绝缘线的直径，Bmax选择为Bsat/2。在反馈式变压器中，如果初级占30%的绕组面积，则其余的70%为次级和绝缘空间，因此，Aw*Ae须再乘以3倍，为了安全起见，我们将其提高为4倍。因此，Aw*Ae=4*(6.33*Lp*Ipp*d2)*108/Bmax此式只是估算，最后铁心和线架的选择是可以改变的。假设选择绕组绕线的电流密度为400c.m/A，则400c.m/A*1.34A=536(c.m),我们参考美国线规(AWG)，取NO.22AWG导线，其值为0.028IN。我们选择TDKH7C1材料的E-E型铁心，它在100℃时，Bsat=3900G，Bmax=Bsat/2=1950G，可得：Aw*Ae=4*(6.33*Lp*Ipp*d2)*108/Bmax=4*(6.33*2.4*103*1.34*0.0282)*108/1950=3.27cm4由TDK目录中可查得EE42*42*15的铁心和线架Aw*Ae=1.83cm2*1.83cm2=3.33cm4，因此，我们选用此铁心。计算空气间隙长度Lg在反馈式电源变压器中，磁通只在第一象限中变化，电流磁通量不会出现负值。为防止变压器饱和，可以采用大体积铁心或在磁通路径上使用空气间隙，为减少电源体积，我们采用间隙法，使磁滞回路变的平坦，在相同的直流偏压下可降低工作的磁通密度。在磁通路径上，空气间隙会产生较大的磁阻，因此，变压器所存储的大部分能量是在空气间隙中，空气间隙体积为Vg，长度为Lg。由，1/2*Lp*Ipp2=1/2*Bmax*H*Vg*108Vg=Ae*Lgu0H=Bmax/(0.4*π)u0：空气磁导率=1可得：Lg=0.4*π*Lp*Ipp2*108/(Bmax2*Ae)=0.4*π*2.4*10-3*1.342*108/(19502*1.82)=0.078cm因此，我们在E-E铁心中心柱分割0.078cm的间隙。计算变压器初级线圈NpNp=Lp*Ipp*108/(Ae*Bmax)=2.4*10-3*1.34*108/(1.82*1950)=90(T)计算变压器次级线圈Ns在输入电压最小、工作周期最大时，计算变压器次级线圈Ns。Vout+Vd=Vin(min)*Dmax/(1-Dmax)*Ns/Np(Vd是整流管压降)Ns=Np*(Vp+Vd)*(1-Dmax)/(Vin(min)*Dmax)=90*(5+1)*(1-0.45)/(232*0.45)=2.84(T)