关电源以其体积小,重量轻,效率高,控制灵活可靠等优点成为现代广泛应用的电力变换装置.开关电源磁性元件,如开关变压器和谐振电感等,是开关电源的核心组成部分之一.
设计合理、可靠的磁性元件,是设计性能优良的开关电源的基础.
所谓合理、可靠的磁性元件,就是在满足元件功能的情况下,能够长期安全工作,温升在允许的范围内,而且体积小,重量轻,材料节省.磁性元件设计的关键,是选取合理的磁心.因为磁性元件的主要部分就是磁心和线圈,一旦磁心确定,线圈也就基本确定了.
只有选取了适当的磁心,才能设计出合理、可靠的磁性元件.
选取磁心的算法有多种,如查表法[1]、磁心结构常数法(Y值法)[2]等.而AP法是理论比较严密,磁心参数查找比较便利的一种方法.
2选择开关电源磁性元件磁心的材料、结构和必备的计算参数
2.1材料
变压器磁心选用高磁导率软磁材料制造,以减少磁滞损耗与磁心体积,提高励磁效率.几种常用磁心材料的磁导率和适用频率范围可以用图1[3]粗略描述.
从图中可以看出,适用于开关电源工作频率段的磁心材料主要有铁氧体、铁粉磁心等.其中,尤以Mn-Zn铁氧体综合特性最好,因此使用最广泛.
2.2铁氧体磁心结构和应用
铁氧体磁心已经形成系列标准结构与尺寸,规格品种繁多,常用的铁氧体磁心结构和形状有EE型、ETD(EC)型、EI型、U型、罐型、环型等,外形结构如图2.
1)EE型
特点:窗口大,散热好;结构规则,便于组合使用.缺点是电磁屏蔽性能差、干扰大.
适用:较大功率开关电源变压器、电感,驱动变压器,脉冲变压器;
2)ETD(EC)型
特点:窗口大,散热好;磁心截面积大,绕线匝数少,长度短,漏感小,铜损小.
适用:较大功率开关电源变压器、电感,扼流圈,更适合高频使用.
3)EI型
特点:与EE相似.
适用:开关电源变压器,驱动变压器,脉冲变压器.
4)U型磁心
特点:窗口面积大,适用于大功率型变压器或高压型变压器.
5)罐形磁心
特点:结合面大,屏蔽好,漏感及分布电容小等.缺点是结构复杂,引线困难,窗口小.
适用:专门用于低损耗线圈设计的磁心,可以制作小功率、磁屏蔽要求高的变压器、电感等.
6)环型
特点:闭合磁路,漏磁小.缺点是绕制困难.
适用:适于宽带或者脉冲变压器、驱动变压器、扼流圈.
用于开关电源的变压器和谐振电感的磁心,最常用EE型、ETD(EC)型等.
2.3工作磁通密度B值[2].
设置合适的工作磁通密度B值,必须考虑二点:一是当输入电压最大时,必须确保磁心不能饱和.一旦饱和,线路内将会因过流引发开关器件和线包温升过高而烧坏.二是损耗产生的热量要满足设计要求.这就要求B值设置不能太高,否则磁心损耗增大,温升增高,而且还会造成激磁电流过大,波形畸变.
另一方面,磁性元件的功率P与磁通密度B和线圈电流密度J有关系:
(2-1)
这说明,为了获得给定的输出功率,B或J选择的越大,则元件体积越小,重量越轻,成本越低.
这就要求,工作磁通密度B值的设置既不能过高,也不能过低,必须合理.选择工作磁通密度B值的计算公式:
(2-2)
其中, KB―磁感应强度系数;Bm―最大工作磁感应强度(T).
磁感应强度系数KB与功率P、工作频率f、平均温升Δτ的关系见图3:
不同磁性材料最大工作磁感应强度Bm通常可以查阅表1取值.
2.4窗口占空系数K0
绕组铜导线截面积在磁心窗口面积中所占的比值称窗口占空系数K0,其数值取决于工作电压、导线粗细、绕制工艺等.一般低压开关电源变压器、电感磁心窗口占空系数取值范围K0＝0.2-0.4.典型取值K0＝0.4.根据具体设计条件适当取值,如果线圈采用多股线卷绕时,选取较小值.
3 AP值法[3]与算例
变压器传输功率Pt与工作频率f、最大磁通密度Bm、磁路有效截面积Ae等有关[4]:
(3-1)
式中,C―变换器电路形式系数.
Wd―绕组设计参数,与电流密度J、窗口占空系数K0、绕组截面积AN等参数有关.
当确定了工作频率、电路形式、磁性材料以后,C、f、Bm就确定了,传输功率Pt就只和磁路截面积Ae与绕组参数Wd有关.实际上Wd与磁心窗口面积Aw有关.
这说明,磁心的磁路截面积Ae和磁心窗口面积Aw的乘积对应于传输功率Pt.所谓AP值,即定义为:AP=Ae?AW.AP值法是一种由传输功率或者储能计算出对应磁心AP值,进而确定磁心型号的方法.这一方法适用于开关电源磁性元件磁心选择的计算.
3.1变压器设计AP值法公式推导
由变压器基本公式,感生电压:
(3-2)
式中,U―感生电压;f―工作频率;N―匝数;Ae―磁心有效截面积;B―工作磁通密度;Kf―波形系数.正弦波取值4.44;方波取值4.
由式(3-2),线圈匝数:
(3-3)
磁心窗口有效面积K0AW为初级、次级绕组占据的面积之和,即:
(3-4)
式中, K0―窗口占空系数;AW―磁心窗口面积; NP、NS―初级、次级匝数;―初级绕组导线截面积;―次级绕组导线截面积.
导线截面积AP与导线电流I以及电流密度J的关系:
(3-5)
把(3-3)、(3-5)代入(3-4),得到
(3-6)
等式两边同时乘以Ae,再除以K0,得到:
(3-7)
电流密度J的选择,直接影响到温升.而温升与变压器表面积和外形结构等有关.一般地说,表面积越大,温升越小.反映到与AP关系:
(3-8)
式中,Kj―电流密度比例系数;X―指数,与磁心有关.
Kj、X可以通过查阅磁心结构常数表获得.
综合(3-7)、(3-8),得到变压器设计AP值计算公式:
(3-9)
式中,变压器视在功率(计算功率).
根据次级线路不同,开关电源的变压器可以由输出功率P0计算视在功率Pt.
1)全桥整流输出: (3-10)
2)全波整流输出: (3-11)
3)推挽结构变换器: (3-12)
3.2电感器设计AP值法公式推导
根据法拉第定律:
(3-13)
式中,L―电感量;N―电感匝数;B―磁心工作磁通密度;―电感线圈电流变化率;―磁路磁通变化率;―磁心有效面积变化率.
对式(3-13)积分,得到:
(3-14)
匝数: (3-15)
磁动势: (3-16)
由式(3-5):,代入式(3-16),有
(3-17)
整理,得到:
(3-18)
同样地,由式(3-8)、(3-18)得到电感器设计AP值计算公式:
(3-19)
式中,LI2表征了电感的储能.电感储能.
3.3磁心手册中参数AP值计算
上面计算的AP值,是选择磁心的参考依据.由于磁心产品是标准系列化的,磁心实际的AP值不一定与计算值一致,选用磁心时,磁心实际AP值应稍大于计算AP值.常用磁心面积Ae定义如图2,窗口面积AW的定义如图4.
通常,磁心厂家不直接提供AP值,通过查阅磁心厂家提供的选用手册,可以获得磁心的几何参数.由几何参数计算AP值.例如,查阅《南京新康达磁心选用手册》,可以查到EE55铁芯(外形结构及标注见图2中EE型),几何参数为:
A＝55.15,B＝27.5,C＝20.7,D＝17,E＝37.5,F＝18.8,Ae＝354,Le＝123
一对EE55磁心的窗口面积:AW＝(E-D)×F＝(37.5-17)×18.8＝385.4mm2
磁心AP值:AP＝Ae×AW＝3.54×3.854＝13.64 cm4
3.4结构核算
磁心选择后,是否合适,首先要进行结构核算.前面说过,磁心选定以后,按照有关公式,可以计算出原、次级匝数、导线截面积,设计出线圈骨架.结构核算主要是验证所选磁心的窗口能否绕下线圈.如果绕不下,磁心选择失败,应该适当放大规格重新计算;如果窗口余量太宽,说明磁心余量过大,应该缩小规格重新核算.
3.5温升核算
设计的磁性元件温升必须在要求范围之内.通过对磁心和线圈损耗的计算,计算温升,如果超过要求,应该适当增加导线截面积或者放大规格重新选取磁心,再次核算.
3.6漏磁核算
对于电磁兼容要求较高的场所使用的电源,还要对磁性元件进行漏磁核算.
3.7算例
设计一台开关电源变压器.电路形式:全桥;输出电路整流形式:全波;工作频率f＝40KHz;输入交流电压U1＝220V;输出电压U0=5V,电流I0=100A;最大占空比D=0.4;变压器效率η＝75%.工作环境温度:25℃,允许温升25℃.
设计步骤:
变压器次级采用中心抽头结构.
1)变压器的计算功率:
2)确定工作磁感应强度:
,查图3,KB=0.4,所以,
3)确定窗口占空系数:低压开关电源变压器,磁心窗口占空系数取K0＝0.25
4)计算AP值
方波,波形系数Kf=4.由于纹波频率较高,选用Mn-Zn铁氧体LP3铁心.查表2,结构参数:X=-0.12,Kj=366代入式(3-9)
查阅新康达磁心选用手册,可以选用一对EE55铁心.AP=13.64 cm4
5)输入电压整流后按340V计算,初级匝数:N1取56匝.次级匝数:N2取1匝.
6)次级绕组电流有效值:I2=67A ;初级绕组电流有效值: I1=1.58A.
7)导线截面积:初级=0.6mm2;次级=26.4mm2
8)确定导线:考虑趋肤效应因素,初级导线选用SQAJ Φ0.29×15多股丝包线.有效面积1.0mm2,外部直径1.2mm;次级导线采用0.3mm×29mm的T2(M)铜带,3层并绕,截面积26.1mm2.
9)线圈厚度:
10)窗口余量:绕组线包与磁心边柱间距1.5mm,适当.
11)温升低于20℃,符合要求.
4结论
AP法是理论比较严密,磁心参数查找便利的一种磁心选用方法.虽然由于材料、设计条件和要求的复杂性,不能保证一次选定而需要多次核算,但只要提出的设计要求和选取的参数合理,所选磁心还是比较容易通过核算的.对于设计经验不足的设计师,AP法不失为一种比较好的方法.
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摘自:http://www.fskali.com/New-91.html
