A新编变压器的设计 1Word文档格式.docx
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其实,要设计一个变压器,就是求一个多元方程组的解。
只不过呢,由于未知数的数量比方程数量多,那么只好人为的指定某些参数的数值。
对于一个反激电源而言,需要有输入指标,输出指标。
这些参数,有的是客户的要求,也是我们需要达到的设计目标,还有些参数是我们人为选择的。
一般来说,我们需要这些参数:
输入交流电压范围、输出电压、输出电流、效率、开关频率等参数。
对于反激电源来说,其工作模式有很多种,什么DCM,CCM,CRM,BCM,QR等。
这里要作一个说明:
CRM和BCM是一种模式,就是磁芯中的能量刚好完全释放,次级整流二极管电流刚好过零的时候,初级侧MOS管开通,开始进行下一个周期。
QR模式,则是磁芯能量释放完毕后,变压器初级电感和MOS结电容进行谐振,MOS结电容放电到最低值时,MOS开通,这样可以实现较低的开通损耗。
也就是说,QR模式是的mos开通时间比CRM模式还要晚一点。
CRM/BCM、QR模式都是变频控制,同时,他们都是属于DCM模式范畴内的。
而CCM模式呢,CCM模式的电源其实也包含着DCM模式,当按照CCM模式设计的反激电源工作在轻载或者高输入电压的时候,就会进入DCM模式。
那么就是说,CRM/BCM,QR模式的反激变压器的设计,可以按照某个特定工作点的时候的DCM模式来计算。
那么我们下面的计算就只要考虑DCM与CCM两种情况了。
那么我们究竟是选择DCM还是CCM模式呢?
这个其实没有定论,DCM的优点是,反馈容易调,次级整流二极管没有反向恢复问题。
缺点是,电流峰值大,RMS值高,线路的铜损和MOS的导通损耗比较大。
而CCM的优缺点和DCM刚好反过来。
特别是CCM的反馈,因为存在从DCM进入CCM过程,传递函数会发生突变,容易振荡。
另外,CCM模式,如果电感电流斜率不够大,或者占空比太大,容易产生次谐波振荡,这时候需要加斜坡补偿。
所以呢,究竟什么时候选择用什么模式,是没有结论的。
只能是“运用之妙,存乎一心”了。
随着项目经验的增加,对电路理解的深入,慢慢的,你就能有所认识。
还有一个重要的参数,占空比,这个参数既可以人为指定,也可以通过其他数值的确定来限制。
那我们先来看看,占空比受那些因素的影响呢?
还记得我们上面仿真的过程中,引入的一个概念性的参数Vf吗?
就是次级反射到初级的电压。
如果不记得了,赶快看看上面的帖子复习一下哦。
通常,按照DCM来设计电源的时候,一般选择在最低输入电压,最大输出负载的情况下,安排工作点处于CRM状态。
而CCM的最大占空比出现在最低输入电压处,与负载无关,只要是CCM状态,就只和输入输出电压有关系。
那么这样,我们可以用同一个公式,计算两种状态下的最大占空比,我们根据磁通伏秒积的平衡的要求,可以有公式:
这就是说
越大,
也就越大。
那为了得到较大的工作占空比,
能不能取的很大呢?
事实上是不行的,我们从前面的分析中知道,MOS管的承受的电压应力,在理想情况下是
,当输出一定时
也是一定的,而
是随着输入电压的变化而变化的。
另外,MOS管的耐压是有限制的。
而且,在实际使用中,还必须预留电压裕量,MOS的电压裕量可以参考这个帖子里的内容:
【原创】跟我学系列之二,元器件降额使用参考
我们看到,MOS的电压必须保证10%~20%的电压裕量。
常用的MOS管耐压有600V,800V的,fairchild的集成单片电源耐压有650V,800V的,PI公司TOP系列的耐压是700V的,VIPER22A的耐压是730V的等等。
而对于全电压输入的
,整流后的直流电压约为
。
那么对于600V的MOS而言,保留20%电压裕量,耐压可以用到480V。
最大电压应力出现在最大输入电压处,所以当最大输入直流电压为370V时,
最大工作占空比出现在最低输入电压处为:
以此类推
650V的MOS,耐压用到520V,
,
700V的MOS,耐压用到560V,
800V的MOS,耐压用到640V,
大的占空比,可以有效降低初级侧的电流有效值,降低初级侧的铜损和MOS的导通损耗。
但是初级侧的占空比过大,必然导致次级的占空比偏小,那么次级的峰值电流会较大,电流有效值会偏大,那么次级线圈铜损会增加。
另外,次级峰值电流大,也会导致输出纹波大。
所以,通常建议,最大占空比取在0.5左右。
我个人的观点呢,
对于DCM的机器,在最低输入
电压下,可以考虑取占空比到0.6,那么在
下,占空比约在0.46左右。
而对于CCM的模式,建议全范围内占空比不要超过50%,否则容易出现次谐波振荡。
即便如此,在占空比不超过50%的情况下,也建议增加斜坡补偿,以增加稳定性。
所以,综上所述,占空比的选择,一方面要考虑MOS的耐压,另一方面还要考虑次级的电流有效值等因素。
同时,对于MOS耐压比较低的情况,比如用600V的MOS的时候,占空比适当再取小一点,可以减轻MOS的耐压的压力。
因为变压器总是有漏感的,漏感会形成一个尖峰。
这个尖峰和漏感以及电流峰值的大小等参数有关。
当我们按照百分比来留电压裕量的时候,可能不够。
关于这一点,我后面写RCD吸收电路的时候,还要讨论一下。
还有,当电源的功率比较小的时候,也可以考虑适当降低工作占空比,这样可以让初级电感量小一些,匝数就可以少些,那么分布电容也可以小一点了,或者为了合理安排变压器的绕组结构,占空比都是应该适当再调整的。
当占空比和反射电压
确定后,我们就可以开始着手设计变压器的初级电流波形,进而求出初级的电感量。
当占空比和反射电压Vf确定后,我们就可以开始着手设计变压器的初级电流波形,进而求出初级的电感量。
对于如图所示的两种工作模式,图中所示,是最低输入电压
时变压器初级电流波形。
那么可以知道平均电流为:
对于DCM模式而言,
,对于CCM模式而言,有两个未知数,
那么该怎么办呢?
这里有个经验性的选择了。
一般选择
,不要让
与
过于接近。
那样电流的斜率不够,容易产生振荡。
计算出
后,我们就可以算出变压器初级电感量的值了。
当是DCM时,你就把Ip1当为0算,CCM时就依你定的一个值。
对的,还是用Ip2-Ip1,只不过,Ip1是0.
下一步,选择磁芯。
磁芯的选择方式有很多种,有些公司会给出一些图表用于选择合适的磁芯。
但大多数公司的数据和图表并不完整。
所以,很多时候,我们需要先选择一个合适的磁芯,然后在这个基础上进行优化。
这里不用AP法计算磁心,直接查表
选好铁心要选骨架见附件(骨架(针式胶心尺寸).pdf)
对于铁氧体磁芯而言,一般磁通密度是不能超过0.3T的。
对于大功率的磁芯,由于散热不好,磁密更要选的低,我感觉你这里选0.15~0.2的范围比较合适。
当然,这里说的是最大磁密,不是摆幅。
对于双向励磁的变压器,摆幅是最大磁密的2倍。
450这里其实是取的电流密度,其中,L单位为H,Ip为峰值电流,单位为A,ΔB是磁感应强度变化量,单位为T,K0是窗口利用率,取0.2~0.4,具体要看绕组结构等。
比如挡墙胶带会占去一部分空间,而如果磁芯是矮型的,那么挡墙所占部分肯可能就占很大比例了,这时候,磁芯的窗口利用率就要取的低。
而如果,采用了三重绝缘线,那么窗口利用率高,K0就可以取的大一点。
对于铁氧体磁芯来说,考虑到温度升高后,饱和点下移,一般ΔB应该取值小于0.3。
ΔB过大,磁芯损耗大,也容易饱和。
ΔB过小,磁芯体积会很大。
功率小的电源,ΔB可以大一点,因为变压器表面积与体积之比大,散热条件好。
而功率大的电源,ΔB则应该小一些,因为变压器的表面积与体积之比小,散热条件变差了。
开关频率高的,ΔB也要小一点,因为频率高了,磁芯损耗也会变大。
有了磁芯,那么就可以计算初级侧的绕组匝数
了。
但是,这个公式是在DCM模式时成立,在CCM模式时,就不成立了。
而上面我原先的那个,不管是DCM还是CCM都可以用。
********************************************************
因为我们已经确定了反射电压
,已经有了初级匝数,那么次级的匝数就可以计算出来了。
不过,计算次级匝数的时候,要考虑到次级输出整流二极管的压降,特别是输出电压很低的时候,二极管的压降要占很大的比例。
对于肖特基整流管,我们可以考虑取正向压降为0.8V左右,对于快恢复整流管,可以考虑取正向压降为1.0V。
那么,对于常用的次级输出绕组匝数可以按下面的公式计算:
整流二极管压降。
肖特基管取0.8V,快恢复管取1.0V。
次级绕组匝数计算出来有,次级整流二极管的电压应力
也就出来了:
实际上的二极管耐压要高于这个数值。
具体见元件降额使用的那个帖子里的阐述。
对于CCM模式的电路,还必须在这个二极管上并联RC吸收回路,来降低反向恢复造成的电压尖峰和振荡。
绕组线径的选取,
知道了圈数和骨架尺寸,可算出在骨架绕线空间一定的圈数能绕下的最大带绝缘的线径,要查表算出裸线直径。
1.先计算骨架容纳导线面积
2.初级允许最大带绝缘线径
3.次级允许最大带绝缘线径
导线表
裸线直径0.05---带绝缘最大外径0.065。
以下格式同上(国标)
0.05---0.065
0.06---0.0800.07---0.0900.08---0.100
0.09---0.110.10---0.1250.11---0.135
0.12---0.1450.13---0.1550.14---0.165
0.15---0.1800.16---0.1900.17---0.200
0.18---0.2100.19---0.2200.20---0.230
0.21---0.2400.23---0.2600.25---0.290
0.28---0.3200.31---0.3500.33---0.370
0.35---0.3900.38---0.4200.40---0.440
0.42---0.4600.45---0.4900.47---0.510
0.50---0.5400.53---0.5800.56---0.610
0.60---0.6500.63---0.6800.67---0.720
0.71---0.7600.75---0.8100.80---0.860
0.85---0.9100.90---0.9600.95---1.010
1.00---1.0701.06---1.0401.12---1.200
1.18---1.2601.25---1.3301.30---1.380
1.35---1.4301.40---1.4801.50---1.580
1.60---1.6901.70
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