变压器设计与材料选择
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变压器设计与材料选择
目录
• 变压器的结构和组成 • 双管正激变压器的设计范例 • 反激变压器的设计范例 • 全桥变压器的设计范例
变压器的结构和组成
励磁磁通 漏磁磁通
原边绕组
I in Vin
一次侧
m I out
导磁回路(磁心)
Lk
Vout
副边绕组
二次侧
变压器的基本原理
节点1
I1
IV
I2 R1
V2 回路1 +
R2
-
V
节点1: 1 2 V 0 回路1: F F2 0
节点1: I1 I2 IV 0 回路1: V V2 0
变压器的基本原理
磁路与电路的对比:磁通连续性定理
描述：表征磁场基本性质的一个定理。它指出，由任一闭合面穿出的净磁通等于零，即穿出 的磁通等于穿入的磁通，而其代数和为零 （这个定律应用于磁路上就是KCL的磁路定理）
跟据不同的需求选择绕组的线型.并计算此选择的 绕组损耗.绕组损耗应该考虑交流损耗.粗算时可跟 据频率将直流损耗乘个系数(>1)代替.精算时可以 用designtool软件计算损耗系数.
计算实际的Ku,有条件可以推导绕组的排布 计算Pc和Pw,Pc和Pw的差踞如果超过5倍,应 评估是否可以进一步优化 计算其它参数是否付合设计需求
基本理论： 磁场中任何一条B线(磁感应强度，即磁通密度)都是连续且闭合的 空间任何一点，进去多少B就得出来多少B☺
因为磁通不能被截断，所以磁通在时间上也只能连续变化而不能突变
B
B
变压器的基本原理
磁路与电路的对比:导磁材料（磁性材料）的特点
1.有顺磁性的基本元素少,只有铁钴镍，（而纯金属基本都可以导电） 2存在居里温度，高温会使磁性材料失去导磁性；(导体在低温下会出 现超导现像） 3.存在磁滞现像，即H上升时对应该的B曲线与H下降时的不同，但2条 曲线是合起来可以形成一个闭合回路（而电阻中电压与电流的关系是 线性的） 4.由于磁滞现像，磁性材料的磁场中，一个储能－放能周期中，储能将 大于放能，形成磁滞损耗：此损耗为周期性的而非线性的 5.由于形成磁滞现像要有周期性变化的磁场，因此恒定磁场的磁性材料 没有磁滞损耗．（只有Bdc时磁材料不会有损耗，而Idc在电阻中照样 有损耗） 6.磁性材料有饱合特性，Ｈ增大到一定值后磁性材料将失去导磁性，B 将线性增加
存在当H=0时fi=/=0 及当fi=0是H=/=0
P=V*I
b.有饱合性,即当H上升到一定程
度时,fi将不再增加
3.损耗特性
由于有磁回路,恒定磁场P=0
交变磁场,P=/=mmf*fi
输入变压器设计需求
跟据功率，频率，一二次 侧电流计算ＡＰ值
跟据ＡＰ值选和实际需求选 择铁心和材质
跟据铁心和其它参数计算各绕 组圈数，并复算各参数合理性
1.温度特性: a.温度上升导磁率上升 b.温度升到居里温度导磁率会突
然降为不良导体
1.温度特性: a.温度下降导电率上升 b.温度降到特定温度时电阻率会 突然降为零,成为超导体
2.导磁特性
2.导电特性
非线性态,有B-H回路
线性导电,即:V=R*I
• 有剩磁Br和校顽力Hc
3.损耗特性
即:mmf=Hl=/=R*fi
电路
KCL:任一集总参数电路(Lumped
circuit)中的任一节点，在任一瞬间流
出该节点的所有电流的代数和恒为零
磁路中任一回路,在任一瞬
间此回路的各段磁动势的
代数和恒为零
节点1Hale Waihona Puke Baidu
1 2
Rm1
F
F2 回路1 Rm 2
+ -
F
KVL:任一集总参数电路中的任一回路点
，在任一瞬间沿此回路的各段电压的代
数和恒为零
电路 电动势,Voltage, E
电流,Current, I 电流密度,Current density, J
电阻,Resistance, R
磁导率
安培环路定律
NI
H l
磁阻
Rm
Rm
lm Am
欧姆定律
E RI
电导率
电阻 R lc
Ac
变压器的基本原理
磁路与电路的对比:电路的串并联关系在磁路上成立
变压器的基本原理
磁路与电路的对比:磁性元件设计中要注意的
1.磁材料会饱合，所以设计的Ｂ和Ｈ不可能无限制的大， 2.由于磁通连续，因此励磁之后必需有退磁过程 3.由于磁滞现像和磁滞损耗的存在，磁损没有理论上的计算公式，而只 有跟据理论和实测数据拟合出的经验计算公式
变压器的基本原理
2.磁性材料的使用限制 导体的特性不同
双管正激变压器的设计
设计参数
1.从电路引入的设计参数
1 最小直流输入电压 Vmin (V) 2 输出电压 Vo (V) 3 输出电流 Io (A) 4 输出二极管压降 Vd (V) 5 工作效率 h 6 开关频率 f (kHz) 7 最大占空比 Dmax 8 环境温度 Ta (℃) 9 允许温升 Tr (℃)
磁路与电路的对比:类比
+- NI R m
i
+- V
R
Magnetic circuit,磁路
磁路 磁动势,Magnetomotive force, F,MMF
磁通,Flux, 磁通密度,Flux density, B 磁阻,Magneto-resistance, Rm
Electric circuit,电路
磁路
串并联关系
R R m _ serial
m_s_x
x
1
1
Rm _ parallel
R x m _ p _ x
R R m _ s _1 m _ s _ 2
Rm _ s _ x
…
…
电路
Rserial Rs _ x
x
1 1
R paralle l
x Rp_x
Rs _1 Rs _ 2
Rs _ x
跟据电流计算各绕组的选线， 并计算绕组损耗
跟据设计结果复算各参数
变压器的设计
Lp,Ls,Lk,n,f,Np,Ns,电压,容量,外形等等
AP
Ae
Aw
V Ton Bm
2I J
prms p
Ku
AP给了选取铁心大小的参考;具体型号 要跟据实际的外形限制来选取
跟据铁心,B的要求等等计算Np和Ns,并计算气隙等. 需要判断B值的合理性和气隙的可加工性
…
…
Rm _ serial
…
R R m _ p _1 m _ p _ 2
…
Rm _ p _ x
Rm _ parallel
Rserial
Rp _1
…
Rp_2
…
Rp _ x
R paralle l
变压器的基本原理
磁路与电路的对比:磁路的基尔霍夫定律
磁路
基尔霍夫定律 Kirchhoff laws
磁路中任一节点,在任一瞬 间流出该节点的磁通的代 数和恒为零
变压器设计与材料选择
目录
• 变压器的结构和组成 • 双管正激变压器的设计范例 • 反激变压器的设计范例 • 全桥变压器的设计范例
变压器的结构和组成
励磁磁通 漏磁磁通
原边绕组
I in Vin
一次侧
m I out
导磁回路(磁心)
Lk
Vout
副边绕组
二次侧
变压器的基本原理
节点1
I1
IV
I2 R1
V2 回路1 +
R2
-
V
节点1: 1 2 V 0 回路1: F F2 0
节点1: I1 I2 IV 0 回路1: V V2 0
变压器的基本原理
磁路与电路的对比:磁通连续性定理
描述：表征磁场基本性质的一个定理。它指出，由任一闭合面穿出的净磁通等于零，即穿出 的磁通等于穿入的磁通，而其代数和为零 （这个定律应用于磁路上就是KCL的磁路定理）
跟据不同的需求选择绕组的线型.并计算此选择的 绕组损耗.绕组损耗应该考虑交流损耗.粗算时可跟 据频率将直流损耗乘个系数(>1)代替.精算时可以 用designtool软件计算损耗系数.
计算实际的Ku,有条件可以推导绕组的排布 计算Pc和Pw,Pc和Pw的差踞如果超过5倍,应 评估是否可以进一步优化 计算其它参数是否付合设计需求
基本理论： 磁场中任何一条B线(磁感应强度，即磁通密度)都是连续且闭合的 空间任何一点，进去多少B就得出来多少B☺
因为磁通不能被截断，所以磁通在时间上也只能连续变化而不能突变
B
B
变压器的基本原理
磁路与电路的对比:导磁材料（磁性材料）的特点
1.有顺磁性的基本元素少,只有铁钴镍，（而纯金属基本都可以导电） 2存在居里温度，高温会使磁性材料失去导磁性；(导体在低温下会出 现超导现像） 3.存在磁滞现像，即H上升时对应该的B曲线与H下降时的不同，但2条 曲线是合起来可以形成一个闭合回路（而电阻中电压与电流的关系是 线性的） 4.由于磁滞现像，磁性材料的磁场中，一个储能－放能周期中，储能将 大于放能，形成磁滞损耗：此损耗为周期性的而非线性的 5.由于形成磁滞现像要有周期性变化的磁场，因此恒定磁场的磁性材料 没有磁滞损耗．（只有Bdc时磁材料不会有损耗，而Idc在电阻中照样 有损耗） 6.磁性材料有饱合特性，Ｈ增大到一定值后磁性材料将失去导磁性，B 将线性增加
存在当H=0时fi=/=0 及当fi=0是H=/=0
P=V*I
b.有饱合性,即当H上升到一定程
度时,fi将不再增加
3.损耗特性
由于有磁回路,恒定磁场P=0
交变磁场,P=/=mmf*fi
输入变压器设计需求
跟据功率，频率，一二次 侧电流计算ＡＰ值
跟据ＡＰ值选和实际需求选 择铁心和材质
跟据铁心和其它参数计算各绕 组圈数，并复算各参数合理性
1.温度特性: a.温度上升导磁率上升 b.温度升到居里温度导磁率会突
然降为不良导体
1.温度特性: a.温度下降导电率上升 b.温度降到特定温度时电阻率会 突然降为零,成为超导体
2.导磁特性
2.导电特性
非线性态,有B-H回路
线性导电,即:V=R*I
• 有剩磁Br和校顽力Hc
3.损耗特性
即:mmf=Hl=/=R*fi
电路
KCL:任一集总参数电路(Lumped
circuit)中的任一节点，在任一瞬间流
出该节点的所有电流的代数和恒为零
磁路中任一回路,在任一瞬
间此回路的各段磁动势的
代数和恒为零
节点1Hale Waihona Puke Baidu
1 2
Rm1
F
F2 回路1 Rm 2
+ -
F
KVL:任一集总参数电路中的任一回路点
，在任一瞬间沿此回路的各段电压的代
数和恒为零
电路 电动势,Voltage, E
电流,Current, I 电流密度,Current density, J
电阻,Resistance, R
磁导率
安培环路定律
NI
H l
磁阻
Rm
Rm
lm Am
欧姆定律
E RI
电导率
电阻 R lc
Ac
变压器的基本原理
磁路与电路的对比:电路的串并联关系在磁路上成立
变压器的基本原理
磁路与电路的对比:磁性元件设计中要注意的
1.磁材料会饱合，所以设计的Ｂ和Ｈ不可能无限制的大， 2.由于磁通连续，因此励磁之后必需有退磁过程 3.由于磁滞现像和磁滞损耗的存在，磁损没有理论上的计算公式，而只 有跟据理论和实测数据拟合出的经验计算公式
变压器的基本原理
2.磁性材料的使用限制 导体的特性不同
双管正激变压器的设计
设计参数
1.从电路引入的设计参数
1 最小直流输入电压 Vmin (V) 2 输出电压 Vo (V) 3 输出电流 Io (A) 4 输出二极管压降 Vd (V) 5 工作效率 h 6 开关频率 f (kHz) 7 最大占空比 Dmax 8 环境温度 Ta (℃) 9 允许温升 Tr (℃)
磁路与电路的对比:类比
+- NI R m
i
+- V
R
Magnetic circuit,磁路
磁路 磁动势,Magnetomotive force, F,MMF
磁通,Flux, 磁通密度,Flux density, B 磁阻,Magneto-resistance, Rm
Electric circuit,电路
磁路
串并联关系
R R m _ serial
m_s_x
x
1
1
Rm _ parallel
R x m _ p _ x
R R m _ s _1 m _ s _ 2
Rm _ s _ x
…
…
电路
Rserial Rs _ x
x
1 1
R paralle l
x Rp_x
Rs _1 Rs _ 2
Rs _ x
跟据电流计算各绕组的选线， 并计算绕组损耗
跟据设计结果复算各参数
变压器的设计
Lp,Ls,Lk,n,f,Np,Ns,电压,容量,外形等等
AP
Ae
Aw
V Ton Bm
2I J
prms p
Ku
AP给了选取铁心大小的参考;具体型号 要跟据实际的外形限制来选取
跟据铁心,B的要求等等计算Np和Ns,并计算气隙等. 需要判断B值的合理性和气隙的可加工性
…
…
Rm _ serial
…
R R m _ p _1 m _ p _ 2
…
Rm _ p _ x
Rm _ parallel
Rserial
Rp _1
…
Rp_2
…
Rp _ x
R paralle l
变压器的基本原理
磁路与电路的对比:磁路的基尔霍夫定律
磁路
基尔霍夫定律 Kirchhoff laws
磁路中任一节点,在任一瞬 间流出该节点的磁通的代 数和恒为零