高频功率变压器设计学习.ppt

1、高頻功率變壓器設計學習報告,提 報 人: 張 華 麗 提報單位: 研發專案 提報日期: 03/03/28,目 錄,1. 前言 2. 設計規格 3. 設計過程 4. 結論,一前言,變壓器是高頻功率變換器的核心元件,其主要作用有三:磁能轉換;電壓變換;絕緣隔離.在開關晶體管的開關作用下,將直流電轉換成方波施加於變壓器上,經變壓器的電磁轉換,將輸入功率傳遞到負載,輸出所需的電壓. 由於開關變壓器工作在高頻狀態,因而比線性變壓器來說,其體積小重量輕.但高頻變壓器的分布參數亦不能忽略(漏感,分布電容等).所以,高頻變壓器的好壞,不僅影響到變壓器本身的發熱和效率等,還會影響到整個POWER的性能和可靠性.

2、,二設計規格,線路架構 Forward Converter 電氣規格 輸入電壓: Vin=36Vdc60Vdc 輸出電壓: Vout=3.3V 輸出電流: Io=50A 輸出功率: Po=165W 工程規格 工作頻率: Fs=100KHz 變壓器溫升: Tr=30,三設計過程,決定工作周期及圈數比 選擇鐵心材質形狀及廠商 選擇適當的鐵心大小 計算初級側圈數 重新檢查最大磁通密度 計算次級側之圈數 計算其它繞組之圈數 選擇適當之繞組線徑或線號 檢查繞線因數 計算繞線損失 計算鐵心損失 計算整個變壓器之損失 計算變壓器溫升 檢查磁化電感與磁化電流,步驟一 決定工作周期及圈數比,順向式轉換器中: n

3、=Vin(min)*Dmax/Vo=Np/Ns (1) 式中 Vin(min) 最小輸入直流電壓 Dmax 最大工作周期 Vo 輸出電壓 n 圈數比 Np 初級側繞組 Ns 次級側繞組 假設在輸入電壓36Vdc,輸出電流Io=50A的情況下,其Dmax=0.4, 則其圈數比為 n=36*0.4/3.3=4.36 取n=4,反代入(1)式求Dmax得: Dmax=0.37 所以取得: 工作周期 Dmax=0.37 圈數比 n=4,步驟二 選擇鐵心材質形狀及廠商,鐵心材質- Ferrite 鐵心制造商及Ferrite型號- TDK PC40 由Data book中得知,在60時: 飽和磁通量 :

4、Bsat=4500GS =0.45T 剩 磁 : Br=0.065T 最大磁通密度: Bm=2500GS =0.25T (一般選擇Bsat的1/2左右) 鐵心形狀及大小-EI 33,步驟三 選擇適當的鐵心大小,Ap=Wa*AcPt*104/(2*B*fs*J*Ku) (2) 式中 B: 磁通密度的變化量 在順向式轉換器中,B=Bm-Br Wa: 鐵心窗型面積值 cm2 Ac: 鐵心有效面積 cm2 Ku: 鐵心的繞線因數,一般為0.20.4,在此取0.3 J : 電流密度,A/cm2,一般為300500A/cm2,此取400A/cm2 Pt: 視在功率,一般可表示為:Pt=Po/+Po,此取為

5、0.95 將數據代入(2)式中,有 Ap(165+165/0.95)*104/2*(0.25-0.065)*100*103*400*0.3=0.7628cm4 由鐵心 DATA BOOK中得知EI 33的規格資料如下: Ap=Wa*Ac=1.53cm4 Wa=1.30cm2 Ac=1.18cm2 Al=4400nH/N2 MLT=7.0cm Ve=7.9cm3 Wg=41g,步驟四 計算初級側圈數,Np=Vin(min)*Dmax*Ts/B*Ac (3) 式中 Ts: 工作周期 1/fs 將數據代入(3)式中,有 Np=36*0.37*(1/100*103)/(0.25-0.065)*1.18

6、*10-4 =6.1T 為方便布線及纏繞,取 Np=8T,步驟五 重新檢查最大磁通密度,重新檢查最大磁通密度Bm,是否小於其飽和磁通密度Bsat. 即 BmBsat 由(3)式可得出 B=Vin(min)*Dmax*Ts/Np*Ac (4) =36*0.37*(1/100*103)/8*1.18*10-4 =0.141 Bmax=B+Br =0.141+0.065 =0.206Bsat,步驟六 計算次級側之圈數,次級側的圈數可由匝數比和初次級側之間的關系式 n=Ns/Np 可求出: Ns=Np/n =8/4 =2T,步驟七 計算其它繞組之圈數,重置繞組的圈數: Nr=Np =8T 輔助電源繞組

7、圈數(采用返馳方式) Na=(1-Dmax)/Dmax*Np(Vcc+Vf)/Vin(min) (5) =(1-0.37)/0.37*8(3.3+1.0)/36 =1.627 取 Na=2T,步驟八 選擇適當之繞組線徑或線號(一),電流密度J, 一般的安全設定為300500A/cm2, 亦可由下式算出: J=Pt*104/(2B*fs*Ap*Ku) (6) =(165+165/0.95)*10000/(2*0.141*100000*1.53*0.3) =261.66A/cm2 取 J=300A/cm2 各繞組所流經的rms 電流則可由下式求出: Irms=Dmax*(Io+IL/2)/n +i

8、m = Dmax*Io/n (7) 所以 一次側繞組流經rms電流為: Ip_rms= 0.37*50/4=7.6A 二次側繞組流經rms電流為: Is_rms= 0.37*50=30.4A 而流經重置繞組與輔助繞組的rms電流以0.1A 估算之.,步驟八 選擇適當之繞組線徑或線號(二),各繞組的最小截面積可由下式算出 Aw=Irms/J (8) 即 Awp=Ip_rms/J=7.6/300=0.0253 cm2 Aws=Is_rms/J=30.4/300=0.101 cm2 Awr=Ir_rms/J=0.1/300=0.333*10-4 cm2 Awa=Ia_rms/J=0.1/300=0.

9、333*10-4 cm2 為了消除集膚效應, 繞線直徑最好小於兩倍集膚深度, 集膚深庋為 =6.61/ f (9) =6.61/100000=0.021 cm,步驟八 選擇適當之繞組線徑或線號(三),一次側繞組的線號, 可以使用7根線繞直徑=0.07cm漆包線並繞,繞線截面積為 Aw=/2 *=3.84*10-3 cm2 電阻系數為 =531.5*10-6 /cm 二次側繞組因流過的電流太大, 而采用銅箔纏繞, 選用2.5*0.042 cm2的銅箔, 則 Aw=0.105 cm2 =16.37*10-6 /cm 其它繞組則可采用一條繞線直徑=0.024cm的漆包線纏繞. Aw=0.456*10

10、-3 cm2 =5314.9*10-6 /cm,步驟九 檢查繞線因數,Ku=Awt/Wa =(NpAwp+NsAws+NrAwr+NaAwa)/Wa (10) =(8*3.84*0.001*7+2*0.105+8*0.456*0.001 +2*0.456*0.001)/1.3 =0.34 由以上結果可知, Ku0.4, 則需重新選擇大一點的鐵心, 或將J 提高來減小 線徑, 以達到滿足Ku0.4之目標, 以利繞線制作.,步驟十 計算繞線損失(一),一次側繞組的阻抗為 Rp=p*Np*MLT =531.5*10-6*8*7.0 =0.0298 7線並繞, Rp=0.0298/7=0.00425

11、二次側繞組的阻抗為 Rs=s*Ns*MLT =16.37*10-6*2*7.0 =0.000229 重置繞組的阻抗為 Rr=r*Nr*MLT =5314.9*10-6*8*7.0 =0.298 ,步驟十 計算繞線損失(二),輔助電源繞組的阻抗為 Ra=a*Na*MLT =5314.9*10-6*2*7.0 =0.0744 繞線的總功率損耗為 PL(cu)=Ip_rms2*Rp+Is_rms2*Rs +Ir_rms2*Rr +Ia_rms2*Ra (11) =7.6*7.6*0.00425+30.4*30.4*0.000229 +0.1*0.1*0.298+0.1*0.1*0.0744 =0.4

12、75 W,步驟十一 計算鐵心損失,利用鐵心資料之鐵損圖大約可以得知, 其單位體積 之鐵損約為0.07W/cm3, 而EI-33的體積為7.98cm3. 所以, 鐵損為 PL(Fe)=0.07*7.9=0.553W,步驟十二 計算整個變壓器之損失,整個變壓器的全部損失即為銅損與鐵損之和. PL=PL(Cu)+PL(Fe) =0.475+0.553 =1.028W,步驟十三 計算變壓器溫升,Tr=800*PL/As (12) 式中, As=34Ap (13) 將式(13) 代入式(12)中,則有 Tr=800*PL/34Ap (14) =800*1.028/34*1.53 =19.56 ,步驟十四 檢查磁化電感與磁化電流,磁化電感 Lm=Np2*AL (15) =8*8*4400 nH =281.