反激电路高频变压器计算.docx
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反激电路高频变压器计算
反激变压器设计
反激变压器一半是电感,一半是变压器。
设计步骤与电感相似。
隔离的反激变压器设计与非隔离反激电感除了没有次级几乎一样。
本例设计要求如下:
输入直流电压48V士10%输出功率为10W;5V/2A)。
开关频率250kHz。
10Wt出时变压器损耗0.2W(根据变换器希望效率得到总损耗分配给变压器的损耗),则变压器效率应为98%(0.2/10=2%)。
要得到此效率你得调整磁芯尺寸;如果变压器比较小,效率降低。
你设计反激变压器初级还需要四个数据:
输出功率(输出电压和电流),开关频率,损耗和输入电压(对非隔离反激电感也是如此)以及电感量。
如果使用PW肱片UC3845最大占空度为45%最大占空度选择关系到此反激变换器是工作在连续还是断续模式;我们将计算如下。
我们的例子的目标是断续模式。
我们再添一个设计目标,要求变压器是扁平的,这是因为高度限制。
1.反激的方程
在每次开关导通前,次级电流已经下降到的工作模式称为断续工作模式。
当反激变压器初级开关闭合时,初级起电感作用。
电压加在初级电感上,电
Tr
其中:
Dma的最大占空度;f为开关频率;T=1/f是开关周期。
初级电流波形如图5-10所示。
导通期间存储在初级的能量为
所二
U1.D2
LiPfminmax
每周期传输的能量Wi,则传输功率为
U2.D
jmmmax
2A
U2T「P
jnunoumaxf,
A'二万
要满足,必须在功率管再次导通前次级电流下降到零,即复位时间TR =T-Ton。 输出平均电流为 *27度 一般选Ton+TR=(0.8~0.9)T,在最低输入电压时Tonmax=0.5T所以TRmax =(0.3~0.4)T。 因为 Uo=L2^- .金 输出功率 p=wf O"r —jL) (5-10) 将式(5-10)代入式(5-9),并经化简得到 ug'nJ 或匝比 (5-11a) 考虑到最低输入电压最大导通时间Tonmax=0.5林口TRmax=0.4T,如果效率 刀=0.96,则 N})i-- 0531mli M(03〜o,4)q u /0,96=(L63-1,224)-^ (5-11b) 式(5-9)是断续模式反激变换器基本方程。 一旦输入电压给定,要增加输出功率,你必须要么减少频率,要么减少电感量,没有其它选择。 一旦开 关频率选定,要增加输出功率,你可以做的就是减少电感量。 在实际产品中存在最小电感(应当大于10吾于杂散电感,例如最低应有5pH)问题,低输入电压时,断续模式反激变压器有一个实际最大的传输功率,一般在50~100W 在输入电压较低时,你不应当设计大于50W勺反激变换器。 虽然有人声称 在实验室中能做出5Vft入100惭出,但决不会在生产线上生产。 我们假定开关频率为250kHz(受开关晶体管FM制)。 由式(5-9)在最低输入电压时所需要的电感量为 「。 皿口皿)"(48x0.9x0.45fx0.96 岂==;=72.5lxH 12。 2x250x103x10 选择L1=61pH,由式(5-8)初级电流峰值I1p 邛为250xl0Jx72.5x10^ 2.选择磁芯材料 我们来选择做电感的磁芯材料。 因为开关频率相当高,我们应选择铁氧体;也可以选择MPP设计方法是成熟的,重复全部步骤。 为了简化,这里仅考虑铁氧体。 如果效率相同,铁氧体设计比MP体积明显小。 我们已经知道 以及 (5-12a) C5-12b) 式中le-平均磁路长度。 由于是电感,需要存储能量,因此反激变压器(和任何采用铁氧体的电感)总是留有气隙。 因为空气磁导率比铁氧体低得多,气隙大大地增加了有效磁路长度。 带有气隙的有效磁路长度为 。 -13) 在许多实际情况下,上式等号后的第二项远远大于第一项,^rxis>>le,所以,可以近似为 L=Kh(5T4) 注意: 这只有在磁芯不饱和时才是正确的。 将这个近似代入,我们有 B maxj% 如果在铁氧体(或其它高磁导率材料)上有一个气隙,在确认磁芯没有饱和后,使用式(5-15)计算,可以看到,在不饱和情况下,电感是线性的;反之,使用式(5-12a)和(5-12b),当气隙很小时,记住使用式(5-13)的有效磁路长度。 3.磁芯选择 为确定对于给定应用是否最好,通常需要比较几个不同的磁芯形状。 但对于我们的设计要求低尺寸的变压器结构,就不必考虑其它的结构形式。 我们别无选择的使用EFD(EconomicFlatDesign)磁芯;设计完成之后,可以看到,这个磁芯比其它形式合理。 让我们先选取飞利浦最小EFDt小尺寸磁芯,EFD10作为例子,让它传输10恻率。 如果不能,我们再选取大一号尺寸 图AllEFD磁芯尺寸 瞄心型号 曜心尺寸 A 吕 c D E F G H I J K EFD1O 10.5 5.2 2.7 3.75 九65 4-S5 L.45 0.2 0.2 0亮 3.0 ⑸ ±0.3 ±0.1 ±0.1 ±0.15 ±0.25 ±0.15 ±0.05 ±0.1 ±o-a,l ±0.1 参考 EFD12 12.5 3.5 4.55 8.99 5.4 2.0 0.2 0.2 o.s 3,5 ±0.3 +0.1 ±0.15 土0.25 ±0.15 ±0-1 +0,1 ±0.1 ±0.1 参考 4.选择材料 现在我们选择磁芯材料。 事实上,我们要是参考其它厂家手册,几乎有没完没了的材料品种,没有一种材料两家相同,如何选择? 参考飞利浦产品手册表5-5,有好几种材料提供选择。 我们还是用飞利浦材料来说明。 过去不管什么人在功率用总是使用3c6A 此材料特性差,而且损耗大;现在标注为3c80,现在只用在要求低成本才使用。 代替它的是3c8,现在叫做3c81。 但是,开关频率继续上升,飞利浦开发新的材料一请记住磁芯损耗随开关频率迅速增长,所以今天,有许多功率磁芯材料,我们可以根据开关频率进行选择。 所以,这些磁芯只要在规定的频率范围,相同的磁通密度变化率具有相同的损耗,都可以代用。 材料的些微区别因磁芯材料结构的不同,参数的公差 就显得不重要了。 我们的反激变换器工作频率250kHz,看看软磁铁氧体材料选择表(表5-6),并推荐使用3F3(或其它生产厂等效材料)。 此材料很好,其损耗在相同频率,相同磁通密度是3c85勺一半。 或者在你读此书时,又有新的材料。 这里对于我们EFD10勺材料使用3F3M料。 所以,这些磁芯只要在规定的频率范围,相同的磁通密度变化率具有相同的损耗,都可以代用。 材料的些微区别因磁芯材料结构的不同,参数的公差 就显得不重要了。 我们的反激变换器工作频率250kHz,看看软磁铁氧体材料选择表(表5-6),并推荐使用3F3(或其它生产厂等效材料)。 此材料很好,其损耗在相同频率,相同磁通密度是3c85勺一半。 或者在你读此书时,又有新的材料。 这里对于我们EFD10勺材料使用3F3M料。 表5-6预留气隙磁芯磁通密度计算 4(nH) N 6(cm) 100 27 0.00912 398.0 63 34 0.0144 317.5 40 43 0.0226 255.8 25 54 0.0362 200.6 5.选择气隙 已经选择了磁芯的形状和材料,下面我们选择气隙。 气隙不能太小,如果 气隙太小,由于装配公差影响电感数值,还可能引起磁芯饱和。 要控制气隙 达到0.25~0.5mm是不现实的,因为研磨公差0.025~0.05mm。 气隙在 0.25~0.5mml^下,你宁可去买预留气隙磁芯,这种磁芯能保证AL®,而不是气隙尺寸。 即使采用预留气隙磁芯,你还必须当心气隙变化多大: 装配的胶将增加气隙长度(特别是由于胶增加的长度每个磁芯之间可能不同),同时,如果是罐型磁芯,可能膨胀开来。 要是气隙大于0.5mm就可避免这类问题。 当你买一对(两个一半)磁芯,给出AL,通常是一半有气隙,而另一半无气隙。 因此实验室中,你要想得到一半的AL直,只要用两个预留气隙合在一起。 当然,剩下的是不留气隙磁芯。 在实验室做气隙磁芯时,一般你放两个垫片在磁芯的外边柱(如0.05mm多层聚酯薄膜带),并使每个垫片相等并等于希望的气隙。 你应当记住,你计算的是总气隙长度,它是中心柱气隙和边柱(两个中的一个)磁路气隙之和。 因为在边柱放置气隙,也在中柱产生气隙,你放置的垫片厚度应是总气隙的一半。 如果你要在中柱产生1.26mmH隙,你需要在每边放置0.63mm勺气隙。 现在我们来选择气隙,并参考飞利浦手册。 我们看到,市售的标准产品中EFD10T5个不同的AL®。 我们可以假定这1^小的磁芯可以做72.5”电感,所以我们用这个最高A廉试探。 因为AL>高,则匝数最少,因而线圈电阻也最低。 最高AL=160nH,为了得到72.5林H,我们需要 A-\Al160x10 -9. 213匝 选择N=22E,所用的磁芯Ae=0.072cmZ所以可以计算气隙 0.4tx1? x0.072x10-b =0,005655cm。 太薄! 这显然不是你要达到的数值。 知道气隙以后,你可以计算磁通密度 B=NoH= xNxI4^x22x1.07x10-7八十一,/% ==0.523(T) 0.005655x10^ 这大于3F如100c时饱和磁通密度Bs=0.33T尽管在手册上25c饱和磁通为0.5T,但磁芯工作温度总是超过25C,而且在最坏情况下远远大于25C,0.5T对使用意义不大。 因此不能选用这个磁芯。 根据以上的方法,我们计算了不同AL(气隙)一组结果,如表5-6所示。 最终AL=25H>菲利普最大预留气隙磁芯。 这个表中仅有两个磁芯的磁通密度小于100c时3F3饱和磁通密 度0.3T,所以就不必考虑AE63n即口100nH5外两种磁芯。 6.选择次级匝数 根据式(5-11b)得到 }]= V 。 二(L63-L224)M 1.4x0.9x48=1L2 5.4 则次级匝数为 M54~~TL2 =4,8 取5匝。 这里Uo'是输出电压与整流器压降之和。 工程中,变压器输出功率与变换器输出功率是不同的。 同样变压器的效率与变换器的效率也是不同的概念。 这里主要是说明设计的基本步骤,没有严格区分。 假设没有漏感,次级电感量为 L72S L=Y=—^-^=0+62uF 'n2(54/5)2 校核复位时间 心坦=乙组=662/©了旧"L33U♦U~U5.4x5 口0 导通时间是DmaX<(1/f)=0.45X4=1.8ps。 要保持断续模式,应当具有 ,11mlz=1.8+133=3,13us<7=4us 在最低输入电压时,仍能保持断续模式。 7.磁芯损耗 我们两种选择的磁芯AL=25pHff口40p则耗有多大? 在一个反激变换器中,电流是单方向的,所以磁通密度也是单方向的,它由0增加到最大值Bmax再由最大值下降到零,所以峰值磁通密度是对称磁化BmaX勺一半。 对于3F3 材料在250kHz寸,磁通密度255.8mT/2=127.9mT时损耗近似为373mW/cm前200.6/2=100.3mT时近似为209.5mW/cm3.(菲禾普3F所料如图5-13所示)我们注意到铁氧体(包括3F3)材料应用有3个特性需要关注的: 磁化曲线的温度特性(图5-16)、损耗密度的温度特性(图5-14)以及损耗密度与磁通密度和频率的关系(图5-13)。 铁氧体的主要特性 磁化曲线与温度关系(图5-16)可以看到,随着温度升高,饱和磁通密度下降。 开关电源中的磁性元件总是要发热的,而且由于散热不良,磁芯最里面部分(中柱)温度最高,一般有可能超过100C,因此,饱和磁通密度应限制在100c对应的饱和磁通密度,对于3F3应在0.33T以下。 我们从损耗与温度关系曲线(图5-14)可以看到,在温度较低时,铁氧体损耗随温度升高而降低;但达到某一谷点之后,随温度增加而上升,有正反馈性质,上升较快。 限制了铁氧体工作温度。 一般最热点温度不应超过120c. 8.降低开关频率能降低磁芯损耗 如果磁芯损耗太高,我们有两个选择: 要么进一步增加气隙;或选择更大磁芯。 随着气隙加大,边缘磁通加大,漏感增大。 漏感增大将引起其它电路元件的损耗。 同时,较大的磁芯占有电路板面积大和成本高,工程上要折衷考虑。 9.线圈损耗计算 在前面的设计我们计算了磁芯损耗。 此类磁芯没有列出窗口面积,我们可以 从规定磁芯结构尺寸直接求得,如图5-17所示。 在计算窗口面积时,要记住导线是从一边窗口绕回到另一边完成1匝,所以 是半个窗口面积,如图5-17中(磁芯是有两个一半磁芯组成总的)阴影面积所示。 此磁芯总的窗口面积Ae为阴影面积两倍 x(3.75x2)=11.625mm2 对于这个磁芯形状,我们可以达到80烧填系数(如果初级要与次级绝缘, 充填系数要大打折扣,首先要给绝缘带面积,其余才是导线截面积)。 初级 与次级线圈各占一半面积,每匝初级线圈的面积为 11.625x0.8 -2x54~ =0,0861mm2 选取d=0.31mm(0.0755)导线。 每米电阻为0.232Q. 为得到比较保守的每匝平均长度,我们假定线圈绕满整个窗口,同时是矩形截面 F4.55 E7.65 ¥个窗口 图5-17计穿线圈窗口 E+FE-F lan2x2+(—-—+G)x2=2(£+G)=2(7.65+L45)=18.2mm-1.82cm 式中朋中柱厚度。 所以,20c时线圈电阻为 =54x182x0.00232=0228Q 实际线圈总是要发热的,温度高于20C,假定线圈温度为60c(可以用以上电感设计中迭代求解),线圈电阻为 =R..x1,OO39(6°-: o)=0.228x1J68=0266Q 由此就可以计算损耗功率。 用窗口面积计算温升。 应当与当初假定值接近 否则,重新迭代。 10.考虑集肤效应 高频电流在导体的外表面流通的现象称为集肤效应。 集肤深度与电流频率、导线的材料磁导率、电阻率和电阻率的温度系数有关。 在频率足够低时,集肤深度大于导线直径,使用导线整个截面积。 在开关电源中,频率很高,集肤效应影响很大。 导线直径最好小于集肤深度。 多股细线组成的利兹线是最好的选择。 利兹线的每根细线之间是绝缘的。 这样绝缘占据很多窗口面积。 对于铜导线,温度为20c集肤深度为 %—6.61 △川一一^(cm) 铜导线电阻率正温度系数,对着温度升高电阻率增加,集肤深度有增加,温度100c时的集肤深度为 A-工6/1 △loo(而) 对于开关频率250kHz,100C集肤深度为 7.6 7.6 口100-f-T-/7 V25OX1O3 =0,0152cin=0.152nnn 显然导线直径接近两倍集肤深度。 要是利用利兹线或多股线,窗口无法绕下 54匝线圈。 我们还是选择直径0.31mn§线。 11.铜损耗和总变压器损耗 应当记住,铜损耗由电流的有效值决定。 对于锯齿波电流(图5-10)其平均 值为 lbd m『024A2 有效值为 04, =1,07.-=0,41A \3 『r历 \3 交流分量有效值为 1=7rJ— 二"工=v0*412-0242=033A 于是初级直流损耗功率为0.242X0.266=0.0152W。 为减少邻近效应,将初级 线圈分成一半将次级夹在中间,假定初级为一层,导线直径是穿透深度的2 倍,由Dowell曲线(图5-18)得到,交流电阻与直流电阻比值为Rac/Rdc=2。 于是线圈交流损耗为0.3322X0.266X2=0.0586W于是初级线圈总损耗为 0.0152+0.0586=0.0738mW如果次级线圈损耗等于初级损耗,总损耗超过允 许值。 同时可以看到交流损耗远远大于直流损耗,应当采用利兹线。 如果减少电感,但峰值电流加大,这样磁芯窗口无法绕下线圈。 建议采用大一号磁 芯再试算一次。 12.重新选择磁芯尺寸 选择EFD12Ae=11.4mm2Ve=0.325mm3le=28.5mm。 由表5-4(Dx(E-F))窗口Aw=16.33mm2f口宽度2D=9.1mm)材料仍然选择3F3。 预留气隙磁芯有4个AL值: 250,160,100,63和40(nH)。 根据以上计算选择AL=63nH由表5-6得至UN1=34M。 初级电感仍为72.5pH,初级峰彳1电流为1.07A,最大占空度Dma-0.45. nNA电0.4乃xFxO114x1OT -0.0227cm ”__〃口xNx/Attx34x1,07x10-A八〜十 B=lkH=U=——=0.2014(T)<033T °S0.0227x10" 因为匝比n=11.2,故34/11.2==3N®。 次级峰值电流 】「几风电=(L07X3473)=12.13Ao 次级复位时间 丁277。 2x4x10Tx2 ===Lj2us 12.13-p 有足够的复位时间。 不会进入连续模式。 磁芯损耗密度在250kHz、磁通密度2014/2=1070高斯为 p=1.25(2,19x10-7)£294=220.7iiiW/cn? 则磁芯损耗为 Pc=pVe=220,7x0325=7L7mW 初级线圈用两个各34匝线圈并联,并将次级夹在中间。 导线直径为0.31X0.707=0.2121mm。 实际选择裸线d1=0.21mm,带漆皮d1'=0.25mm34x0.25=8.5mmE好1层绕满窗口宽度。 导线的平均匝长 .=2(E+G)=2x(8.99+2)=21.98mm=2J98cm 20c每匝直流电阻为0.506X0.02198=0.01112Q,初级线圈电阻为34X0.0112=0.378Qo初级线圈的直流损耗Pdc=2X0.378X(0.24/2)=11mW。 因为是1层,导线直径约为穿透深度的1.5倍,但园导线等效层的厚度是直径的0.83倍,所以交流电阻约为直流电阻的1.2倍,即0.378X1.2=0.4536Q。 则初级交流损耗Pac=2X0.4536x(0.33/2)2=24.7mW。 初级线圈总损耗Pw1=11+24.7=35.7mW初级占有窗口高度为0.25x2=0.5mm尚有4mml供给骨架、次级线圈和绝缘。 次级线圈为3匝。 次级有效值电流为 t11q) ^-=12,12J--=4.02A3T\3x4 次级电流交流分量: 乙£=《4.02。 一工^二3.49A 次级采用厚0.1mm宽8mr«带。 20c直流电阻为 n乙XM2-198X3c R=p二-=1.724x106x=1.42inQ Acu0.01x0.8 由于次级夹在两个初级线圈之间,次级相当于1.5层。 层厚度约为集肤深度 的0.8倍,交流电阻约为直流电阻的1.2倍(图5-18)。 则次级线圈总损耗 P、=PR+R,/I=3492x1,2xL42+23x142=2643mWwZacaccfcac 20c线圈总损耗Pw=35.7+26.43=60mW如果温升40C,损耗近似增加1.003950=1.168倍,即70mW变压器白总损耗70+71.7=141.7mW在设计要求200mVU下,满足设计要求。 —名吉束—
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