开关电源的设计与制作

双极性开关电源变压器可看成是方波激励的高频电源变压器,磁性材料工作于整个磁滞回线,变压器效率较单极性开关变压器相比高出一倍以上,适合大功率电源采用.

(单双极性开磁变压器拓工作波及电压电流计算<<电子变压器手册>>page368) 三.开磁变压器磁性材料.

概述:由于开关变压器通常工作在20Khz以上的频率范围,这就它要求磁性材料在工作频率下功耗 尽可能小,此外,还要求磁性材料保和磁感应强度高,温度稳定性好.

对应不同工作状态的开关电源变压器,由于磁心基作在磁化曲线的不同区域,应选用相应特性的磁性材料.

双极性开关电源变压器要求磁性材料具有高的动态磁导率,较低的高频损耗,单极性开关电源变压

器要求磁性材料具有高的磁感应强度和较低的剩余磁感应强度,也就是要求磁性材料具有大的脉冲磁感应增量.

表示磁性材料磁性能并适应于开关电源变压的参数有:

1)饱和磁感应强度

在规定的最大磁场强度Hm时测得的磁感应强度Bm,Hm卫般为1193A/ m , Bm的计算单位为T(特斯拉)和GS(高斯), 1 T = 10000GS

饱和磁感应强度是开关变压器设计中的一个主要参数,变压器磁心可传输的功率容量与ACBm(Ac为磁心有效截面积,f为变压器工作频率)成比例,如果磁心材料的饱和感应强度高,其有效横截面积就可以小,即变压器体积可缩小). 2)剩余磁感应强度Br

交流磁滞回线中磁场强度为零时的磁感应强度.单极性开磁变压器,磁心工作在其磁滞回线的第一象限,变压器磁心可传输的功率容量与AcΔBf成比例, ΔB=Bm一 Br.在一定的Bm下,Br越小 ΔB就越大,变压器体积就可缩小.

3)比损耗Pb.

在规定条件下,磁心单位质量的损定交义为比损耗,计算单位是w/ kg或mw/g. 该参数影响变压器的温升和效率,变压器利用的磁性材料呈很大的非线形. Pb=C×Bm×fn 式中: C: 损耗系数 B:磁感应强度 f. 工作频率

m. n : 与材料有关的系数

4)振幅磁导率ua

磁性材料在交变磁场(无恒稳磁场)中被磁化时,在规定的磁感应强度(或磁场强度)条件下的磁导率.

Ua= 1 / Uo×Bi /H I

式中 Uo: 真空绝对磁导率 (H/ m)

Bi :规定的磁感应强度,或规定的磁场强度下的感应强度(T) Hi: 规定的磁场强度,或规定的磁感应强度下的磁场强度 (A/m)

对于工作在双极性激励的开关变压器,希望磁性材料有较大的振幅磁导率,以减小激磁损耗. 5)增量磁导率.

在预先加的直流磁场再迭加上随时间呈周期变化的交变磁场时,由磁感应的峰值和磁场强度的峰值差获得的相对磁导率.

Uo = 1 / Uo×ΔB / ΔH ΔB: 磁感应强度增量 (T) ΔH: 磁场强度增量 (A/m)

对于工作在单极性激励的开关变压器,磁性材料工作在磁滞回线的第一象限,交变磁场沿一恒定磁场为中心变化,要求有较大的增量磁导率,以较少的线圈匝数获得所需的储能电感量. 2. 铁氧体材料的技术特性. 1) 铁氧又称铁淦氧或亚铁酸盐,是由几种金属氧化物与铁的氧化物在高温烧结中产生物复合氧化物.

铁氧体磁性材料可分为软铁氧体,硬磁铁氧体,旋磁铁氧体,矩磁铁氧体和和太磁铁氧体等. 同时,它们又个有单晶,多晶,薄膜等形式.

软梯铁氧体按其成分是Fe, O4,MoCO3,ZnD三种化折的反应物,它主要应用在1MHZ以下各类电感器,变压器中;镍锌铁氧体之组成成分为Fe3O4,NiO,ZnO等,主要用于1MHZ以上的高频电感器. 在开关变压器中应用最为广泛的铁氧体材料是一种功率型锰锌铁氧体. 3)铁氧体材料的技术性能

铁氧体材料不仅有非常高的磁通密度,(大多数铁氧体磁芯的Bsat可达3000×10—4T)而全在高频下工作时,它们的磁芯损)也很低并且它胶还具有线圈耦合性好,容易组装的优点.

适作于开关压器的锰锌铁氧体具有适中的饱和磁感应强度,约为350~5000×Mt,剩余磁感应强度约在50 ~200Mt间;有较高的体积电阻,在50 ~100Ω.cm间,高=濒下较低的涡流损耗和磁磁滞损,20~30Mw/ g(温度T=100℃,测试频率f=25Khz,工作磁感应强度B=200Mt时).欣氧体材料最大缺点是磁性能受温度影响很磊.常规铁氧体材料的比损随温度变化呈正的温度特性,使用这种磁性材料将使变压温度升高和损耗呈恶性循环,所以在变压器中用的磁性材料应具有的温度特性.

4.铁氧体磁心的表状.

磁心结构形状选用应考虑以下因素.

(1)便于绕铡,引出疆及整个变太器安装方便,这样有利于生产和维修. (2)有利于散热.

磁心结形状类型有:EE型 E一I型, ETD型, E一C型 ,G型,PM型,RM型,VY型和罐型(罐型磁芯最适用于20W到200W的中,小功率变压器,由于型磁芯本身固有的屏蔽作用所以它能够把电磁干扰减小到最低限度,而对于那些要求输出功率较大的高频开关电源变压器,可以选用E一E 型,E一I型和E一C型磁芯,E一C型磁芯的性能处于E一E型和罐型磁习的中间,它兼有二者的优点)等.

5.等效磁呼参有:等效磁路长度le,等效横截面积Ae,等效体积Ve;等效电磁参有:等效磁场强度He,等磁感应强度Be,等产磁导率Uo等,等效参数的用条件是在磁心中没有漏磁通,在一个横截面内磁通分布均匀.

磁心磁路参数的定义: C1 =ΣnI li / Ai

C2 =Σ

nI

li / Ai

式中:C1: 磁路党数 (m—1) C2: 磁路常 (m-3)

Li: 磁路中各相对均匀段长度 (m) Ai:磁路中各相对均匀段横截面积

引进了磁路常数后,行效磁路参数和电磁参数均可用磁路常数来计算. Le: C12 / C2 Ae:C1 / C2

Ve =leAe= C13 / C32 He =NI / le

计算;选择变压器磁芯的非常有用的公式:

AeAc = (0.68Pout D ) ×10—1 / f. Bmax cm4 式中.Ae:磁芯的有效截面积: Ac:磁芯的窗中面积;

D: 由流密度,用圆密耳安培表示 f: 变换器的工作频率 Bmax:最大磁通密度 T Pout:磁芯的输出功率

注:工作电流量度D由导线的制造厂家以1000圆密耳/安培(c.m)为单位给出,实际设什时所用的电流度要低地这个值,根据实际应用及绕线的匝数,电流密度选取200cm/A即可安全使用. 3.坡莫合金和非晶态合金软磁材料 坡莫合金和非晶态合金软磁材料的特点是温度持性好,磁性能稳定,饱和感应强度高,特虽适合制作双极性开关变压器.

在体积质量,环境条件性能指针要求高的变压器中要采用坡莫合金等材料.坡莫合金和非晶态合金通常绕制成环境铁心,特殊要求也可以绕制成矩形或其它形态.

为了减少涡流损耗,应根据不同工作频率选择合金带的厚度,合金带厚及占空系数可查阅手册.

按工作频率选择合金带厚度.

频率/KHZ 带厚/mm 4.0 0.1 10.0 0.05 20.0 0.025

不同厚度合金带占空系数

材料厚度/mm 占空系数

.开关电源变压器参数计算

0.1 0.1 0.05 0.85 0.035 0.70 0.013 0.5 0.006 0.37 0.003 0.25 40.0 0.013 70.0 0.006 100.0 0.003 4.1分布参数

开关电源变压器传递的是高脉冲方波电压,在瞬变过程中,漏咸必分布电容会引起浪涌电流和尖峰电坟及脉冲顶部振荡,造成损耗增加,严重时会造成开关管损坏,故应加以控制.

开关变压器设计一般主要考虑漏感影响,在输出为高压,输出绕组匝数多,层数多时则应考虑分布电容带来的危害.同时,降低分布电容有利于抑制高频信号对负载的干扰.

注:在同一变压器中要同时减少分布电容和漏感是因难的,因为两者是盾的,应根据不同的工作要求,保证合适的分布电容和漏感. 1.漏感计算

所谓感又称漏磁,是指线圈耦合过程中,磁链没有沿着失芯闭合流动而形成的主磁通,而是在空所气中形成闭合磁路的少数磁鬃,变压器漏感是由于初.次绕组这间;匝与匝之间磁没有完全耦合造成的,通常采用初次级绕组交替分层绕制业降低变压器漏感.在某些设计中,还需要在奕压器的初次

级之间提供屏蔽功能,以减少RFI(射频干扰)的幅射.但交替分层使线圈结构复杂,绕制困难,分布电

容增大,帮一般取线圈漏磁量组数不超过ψ. 如图 hｍ S ＮII /４ δ0

M=4 ＮI /2 δ1/2

ＮII /2 δ2/2

F ＮI /2

δ2/4 ＮII /４ 此图是漏磁势的组数取4时的绕制方法. 图中 F: 漏磁势势 (A);

δ:距离 (cm); M: 漏磁势组数; NI:初级绕组; NII:次级绕组;

δo: 初次级绕组绝缘厚度(cm); δ1.初级绕组厚度; δ2:次级绕组厚度; h m: 绕组宽度(cm);

以上是通常采用的绕制方法,当M=1时,绕组排到顺序可以是N1 NII或NII NI； Ｍ＝２时，排列顺序可以是Ｎ１／２ NII N1/2或NII /2 N1 NII/2;当M=4时,除中中NII/4 NI / 2 NII/2 NI/2 NII/4的绕制方法外,还可以绕在成:NI/4 NII /2 NI / 2 NII /2 NI / 4.

各种结构线圈的漏感计算 1)对壳式结构线圈(单线包)

LS= 1.26×Ps N12lm / M2hm ×[δo+1/3(δ1+δ2)对芯式结构

II) ]

×10—8