DC变压器的设计方法_刘学鹏
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[ 3 ] Q iong L i, Lee FC and Jovanovic,MM. Design considera2 tions of transformer DC bias of forward converter w ith ac2 tive clamp reset[ C ] / /App lied Power Electronics Confer2 ence and Exposition, 1999. APEC ’99. Fourteenth Annu2 al, Volume: 1, 1999, 553 - 559.
E型的磁心 ,等效图为图 3的 C型的磁心和磁路.
图 2 E型磁心
设磁心的横截面积为 S, S = a ×b
Rm = Rm1 + Rm 2 = d1 / (μ0 ×S ) + d2 / (μ0 ×μs ×S ) ( 17)
其中 : Rm1 = d1 / (μ0 ×S ) ; Rm2 = d2 / (μ0 ×μs ×S )
基于此方法设计出的 10k的开关电源工作状态稳定 ,性能良好.
关键词 : DC /DC变压器 ;能量设计法
中图分类号 : TM403
文献标识码 : A
文章编号 : 1006 - 0707 (2010) 01 - 0096 - 03
DC变压器电源非常广泛地应用在通讯 、计算机 、汽车 和消费电子产品等领域. 开关电源主要有 2种模式 ,作为开 关电源核心元件的变压器主要起磁能转换 、电压变换和绝 缘隔离的作用. DC变压器性能的好坏不仅影响变压器本 身的发热和效率 ,而且还会影响到高频开关电源的技术性 能和可靠性. DC变压器的设计主要包括 2 部分 :绕组设计 及磁芯设计. 本文中主要论述通过能量方法设计高频小功 率 DC /DC变压器.
3) 最大一次电流 ( Imax ) 二次侧的输出为 Wmax的最大输出功率时的 DC /DC整 流器的晶体管的最大电流. 4) 最大磁通密度 (Bmax ) 其值由磁心材料决定 ,定义为通过磁心通过磁通饱和 时的磁通密度. 最大磁通密度随温度而变化 ,但在通常使 用范围中 ,铁氧体 0. 3～0. 4T (特斯拉 ) 、硅钢板 1. 2T、钕磁 铁 (NeFeB ) 0. 8T. 5) 变压器饱和电流 ( Isat ) 是指通过变压器磁通达到最大磁通密度时变压器的
第 31卷 第 1期 【制造技术 】
四川兵工学报
2010年 1月
DC变压器的设计方法 Ξ
刘学鹏 a ,赵冬梅 b
(中山职业技术学院 a. 机械系 ; b. 电子系 ,广东 中山 528404)
摘要 :提出了基于能量方法设计高频小功率 DC /DC变压器的方法 ,并针对实际工作情况 ,分析了相关设计要点.
为直流电压跟启动电压和. 由于该电压上包括晶体管 OFF
瞬间的浪涌电压 ,考虑到晶体管的耐压设计余量 ,二次的
启动电压不能取较大值 ,二次线圈上每 1线圈分担电压值
也不能取较大.
最后 ,一般设计是基于一次线圈和二次线圈结合部为
100%这一特性 ,实际工程上 2级线圈存在漏磁通 ,也技术
漏感 (L leak ). 该漏感也决定了损失能量 :
定 ).
μ 0
= 4π ×10- 7
(6)
B =φ/S
(7)
W max = V reg ×Imax L1 = N 1 ×dφ/ d I
W max = E ×f V = L1 ×d Ic / dt Ic 为通过一次线圈 N 1 的电流.
(8) (9) ( 10) ( 11)
3 参数计算 [3 - 5 ]
提出了 DC变压器的设计方法 ,并针对实际工作情况 ,
我国兵器行业学科发展沿革
创建于建国初期的我国兵器行业学科发展主要沿袭前苏联的学科体系 ,在技术上走的是 以仿制为主的发展道路 ,与当时的世界先进水平存在巨大差距 ;改革开放以前 ,通过坚持独立 自主 、自力更生的发展方针 ,兵器科学技术得到一定的发展 ,初具规模 ;“八五 ”、“九五 ”期间 , 随着先进材料技术 、制造工艺和测试等基础技术的飞速发展 ,在装甲兵器 、身管兵器 、制导兵 器 、弹药 、水中兵器 、火控指控 、火炸药 、引信和火工品等方面取得了长足的发展 ;“十五 ”以来 , 通过系统集成和技术创新 ,武器装备在向信息化和高技术目标迈进方面取得突破性进展 ,在某 些领域已达到或接近世界先进水平 。
一次线圈的电流值 . 6) 最大电流和磁通饱和电流的比例 ( ki )是指上面 4)
和 5)中所述的变压器电流饱和和最大负荷时的一次线圈 电流值系数. 该值如果比较大 ,即使在异常负荷时一次电 流也很难饱和 ,晶体管的电流不会急增 ,晶体管不容易坏 掉 ,然而随之而来的是磁心横截面变大 ,晶体管变大 ,成本 会增高. 电源 IC有过电流保护的功能时 ,这个系数可以接 近 1;如果没有时 ,必须由额定电压 、最大直流电压 、稳压开 始电压和直流电源的电容容量来决定. 经过工程和实际设 计经验 ,一般该值设为 2.
7) 磁动势 ( F ) 、磁通 ( < ) 和磁阻 ( Rm )等常用的磁路 参数.
8) 圈数 (N ) ,变压器的圈数 ,一次圈数设为 N1 ,二次 圈数设为 N 2.
9) 一次电感 (L1 ) ,启动电压设为 e.
Ξ 收稿日期 : 2009 - 11 - 07 作者简介 :刘学鹏 (1975—) ,男 ,湖北天门人 ,博士后 ,主要从事 DSP控制 ,电机控制 ,控制与应用研究.
N
2 1
/ Rm
×dI/ dI
=
N
2 1
/ Rm
( 20)
所以
Rm
=
N
2 1
/L1
( 21)
展开式 ( 17) ,求出 d1 :
98
四川兵工学报
d1
=
μ 0
×S ×Rm
-
பைடு நூலகம்
d2 /μs
需要提前确定值 :Wmax , f, V reg , ki, B , S, d2 ,μs.
( 22) 分析了相关设计要点. 在变频空调室外机的控制板上设计 频率 10 k的开关电源 ,实际应用效果良好.
[ 4 ] 电子变压器专业委员会编. 电子变压器手册 [ K ]. 沈 阳 :辽宁科学技术出版社 , 1998.
[ 5 ] Xue fei Xie, Poon, FNK and Pong BMH. Voltage driven synchronous rectification in forward topology[ C ] / / Power Electronics and Motion Control Conference, 2000. Pro2 ceedings. P IEMC2000, The Third International, Volume: 1, 2000, 100 - 105.
W leak = 1 /2 ×L leak ×Im2 ax ×f 在实际电路中必须加入缓冲电路 ,释放该能量.
( 23)
漏感与变压器的绕线方法有关 , 同时空气隙 ( d1 )也影 响漏感值 ,工作频率发生变化 ,对 L1 影响较小 ,对漏感影响 较大 :频率变高 ,漏感减少 , 因此测量漏感应以实际工作频
体管 ON 时间设为 Ton ,则有下面的关系式 : Ton = 1 / (2 ×f) 由式 ( 11)得到 :
V reg = L1 ×d Ic / d t = L1 ×Imax / Ton =
2 ×L1 ×Imax ×f
( 12)
每开关一次的能量乘于频率的话 , 变为一次侧储蓄的
功率 ,因为那个功率会转移到二次侧 , 所以二次侧的最大
刘学鹏 ,等 : DC变压器的设计方法
97
从 e =N ×dφ/ d t =N ×dφ/ dI ×d I / dt =L d I / dt 得出 L =N ×dφ/ dI
10) 频率 ( f) , DC /DC比较器的发振频率. 11) 每开关一次的能量 ( E1 ) , 晶体管以频率 f进行开 关 ,每开关一次所储蓄的磁能量.
图 1 次级电压特性 该电压也会根据不同负荷而发生变化 ,负荷较大时 , 次级电压下降 ,二次侧成为稳定电压时的稳压开始电压
变高. 2) 最大输出功率 (Wmax ) 二次侧输出的最大功率. 对于 DC变压器 ,整流二极管
的顺向电压下降 (Vf )也是输出电压的一部分 ,所以这个功 率是包含 Vf 的电压和输出电流的乘积.
[ 2 ] Jovanovic M. M , Zhang, M T and Lee, FC. Evaluationof, synchronous2rectification ef ficiency imp rovement lim its in forward converters [ J ]. Industrial Electronics, IEEE Transactionson, Volume: 42 Issue: 4, Aug. 1995, 387 - 395.
4 设计要点
参考文献 :
二次线圈在晶体管为 OFF的时候决定特性. 带有稳电
压反馈的线圈的圈数的每一圈的分担电压多数以 1 ～2 V
来设计. 圈数基本上只能是整数 ,所以多输出时可以根据
各自的电压来决定整数值.
需要注意的是 ,根据这个每 1线圈的分担电压 ,一次线
圈上产生跟其圈数成比例的启动电压 ,晶体管集电极电压
3. 1 L1 和 Imax
次级电压跟一次电压成比例上升. 晶体管 ON , L1 通过 电流 Ic , L1 上储蓄能量 1 /2 ×L1 ×I2c. 电压较低时 , Ic 变小 , 能量随之变小 ,次级电压变低. 故输出电压为定值 、负荷增
大时一次侧电压值高.
系统稳定时 ,晶体管的 ON 时间和 OFF时间相同 ,晶
率为准. 测定漏感值的方法为 :将二次线圈短路 , 测定一次
线圈电感.
5 结束语
[ 1 ] B ridgeCD , Clamp voltage analysis for RCD forward con2 verters[ C ] / /App lied Power Electronics Conference and Exposition, 2000. APEC2000. Fifteenth Annual IEEE, Volume: 2, 2000, 959 - 965.
1 参数定义 [ 1 - 2 ]
1) 稳压开始电压 (V reg ) 高于该电压 (稳压开始电压 )时 ,二次侧的输出电压就
会变为一定值的电压. 对比额定电压 ,该电压如果降得过 低 ,负荷和电源异常 ,晶体管通过较大电流可能坏掉 ;如果 该电压过高 ,由于电源变动引起输出电压不稳定 ,瞬间停 电导致运行容易停止. 一般它的值不是由电源的设计来决 定的 ,而是由使用环境和负荷进行确定.
2 理念推导
F =φ ×Rm
(1)
F = N ×I
(2)
Rm = d / (μ ×S )
(3)
d为磁心的磁路长 ;μ为导磁率 ; S 为磁心的横截面积.
d = d1 + d2
(4)
d1 为磁心的空气隙 ; d2 为磁心内的磁路长.
μ
=
μ 0
×μs
(5)
μ 0
为真空时
的导
磁
率
;
μ s
为
相
对
导
磁
率
(由 磁 心 材 料 决
( 18)
μ 0
为物理常数
;
d2 、a、b、μs是由磁心决定的值 .
根据式
(
9
)有
Φ m
ax
=L1
×Imax /N 1. 综合式
( 7)得出 :
N 1 = L1 ×Imax / (B ×S )
( 19)
图 3 C型磁心
由式 ( 1) 、式 ( 2)和式 ( 9)求出下列算式
L1 = N 1 ×dφ/ dIc = N 1 ×d (N 1 ×I /Rm ) / dI =
2 reg
/
(8
×W m ax
×f)
根据式 ( 14)得出
( 15)
Imax = 4 ×W max /V reg
( 16)
V reg , Wmax , F 是 由 电 源 的 设 计 决 定 , 从 上 面 得 到
L1 , Imax. 3. 2 磁路和一次线圈 N 1
变频 DC电源变压器全部是输出型 ,结构为图 2 所示
输出 Wmax为式 ( 13) . W max = 1 /2 ×L1 ×Imax 2 ×f
因此
( 13)
所以
W max = 1 / 4 ×V reg ×Imax = 1 /4 ×V reg ×(V reg / ( 2 ×L1 ×f) ) =
1 /8 ×V2reg / (L1 ×f)
( 14)
L1
=
V
E型的磁心 ,等效图为图 3的 C型的磁心和磁路.
图 2 E型磁心
设磁心的横截面积为 S, S = a ×b
Rm = Rm1 + Rm 2 = d1 / (μ0 ×S ) + d2 / (μ0 ×μs ×S ) ( 17)
其中 : Rm1 = d1 / (μ0 ×S ) ; Rm2 = d2 / (μ0 ×μs ×S )
基于此方法设计出的 10k的开关电源工作状态稳定 ,性能良好.
关键词 : DC /DC变压器 ;能量设计法
中图分类号 : TM403
文献标识码 : A
文章编号 : 1006 - 0707 (2010) 01 - 0096 - 03
DC变压器电源非常广泛地应用在通讯 、计算机 、汽车 和消费电子产品等领域. 开关电源主要有 2种模式 ,作为开 关电源核心元件的变压器主要起磁能转换 、电压变换和绝 缘隔离的作用. DC变压器性能的好坏不仅影响变压器本 身的发热和效率 ,而且还会影响到高频开关电源的技术性 能和可靠性. DC变压器的设计主要包括 2 部分 :绕组设计 及磁芯设计. 本文中主要论述通过能量方法设计高频小功 率 DC /DC变压器.
3) 最大一次电流 ( Imax ) 二次侧的输出为 Wmax的最大输出功率时的 DC /DC整 流器的晶体管的最大电流. 4) 最大磁通密度 (Bmax ) 其值由磁心材料决定 ,定义为通过磁心通过磁通饱和 时的磁通密度. 最大磁通密度随温度而变化 ,但在通常使 用范围中 ,铁氧体 0. 3～0. 4T (特斯拉 ) 、硅钢板 1. 2T、钕磁 铁 (NeFeB ) 0. 8T. 5) 变压器饱和电流 ( Isat ) 是指通过变压器磁通达到最大磁通密度时变压器的
第 31卷 第 1期 【制造技术 】
四川兵工学报
2010年 1月
DC变压器的设计方法 Ξ
刘学鹏 a ,赵冬梅 b
(中山职业技术学院 a. 机械系 ; b. 电子系 ,广东 中山 528404)
摘要 :提出了基于能量方法设计高频小功率 DC /DC变压器的方法 ,并针对实际工作情况 ,分析了相关设计要点.
为直流电压跟启动电压和. 由于该电压上包括晶体管 OFF
瞬间的浪涌电压 ,考虑到晶体管的耐压设计余量 ,二次的
启动电压不能取较大值 ,二次线圈上每 1线圈分担电压值
也不能取较大.
最后 ,一般设计是基于一次线圈和二次线圈结合部为
100%这一特性 ,实际工程上 2级线圈存在漏磁通 ,也技术
漏感 (L leak ). 该漏感也决定了损失能量 :
定 ).
μ 0
= 4π ×10- 7
(6)
B =φ/S
(7)
W max = V reg ×Imax L1 = N 1 ×dφ/ d I
W max = E ×f V = L1 ×d Ic / dt Ic 为通过一次线圈 N 1 的电流.
(8) (9) ( 10) ( 11)
3 参数计算 [3 - 5 ]
提出了 DC变压器的设计方法 ,并针对实际工作情况 ,
我国兵器行业学科发展沿革
创建于建国初期的我国兵器行业学科发展主要沿袭前苏联的学科体系 ,在技术上走的是 以仿制为主的发展道路 ,与当时的世界先进水平存在巨大差距 ;改革开放以前 ,通过坚持独立 自主 、自力更生的发展方针 ,兵器科学技术得到一定的发展 ,初具规模 ;“八五 ”、“九五 ”期间 , 随着先进材料技术 、制造工艺和测试等基础技术的飞速发展 ,在装甲兵器 、身管兵器 、制导兵 器 、弹药 、水中兵器 、火控指控 、火炸药 、引信和火工品等方面取得了长足的发展 ;“十五 ”以来 , 通过系统集成和技术创新 ,武器装备在向信息化和高技术目标迈进方面取得突破性进展 ,在某 些领域已达到或接近世界先进水平 。
一次线圈的电流值 . 6) 最大电流和磁通饱和电流的比例 ( ki )是指上面 4)
和 5)中所述的变压器电流饱和和最大负荷时的一次线圈 电流值系数. 该值如果比较大 ,即使在异常负荷时一次电 流也很难饱和 ,晶体管的电流不会急增 ,晶体管不容易坏 掉 ,然而随之而来的是磁心横截面变大 ,晶体管变大 ,成本 会增高. 电源 IC有过电流保护的功能时 ,这个系数可以接 近 1;如果没有时 ,必须由额定电压 、最大直流电压 、稳压开 始电压和直流电源的电容容量来决定. 经过工程和实际设 计经验 ,一般该值设为 2.
7) 磁动势 ( F ) 、磁通 ( < ) 和磁阻 ( Rm )等常用的磁路 参数.
8) 圈数 (N ) ,变压器的圈数 ,一次圈数设为 N1 ,二次 圈数设为 N 2.
9) 一次电感 (L1 ) ,启动电压设为 e.
Ξ 收稿日期 : 2009 - 11 - 07 作者简介 :刘学鹏 (1975—) ,男 ,湖北天门人 ,博士后 ,主要从事 DSP控制 ,电机控制 ,控制与应用研究.
N
2 1
/ Rm
×dI/ dI
=
N
2 1
/ Rm
( 20)
所以
Rm
=
N
2 1
/L1
( 21)
展开式 ( 17) ,求出 d1 :
98
四川兵工学报
d1
=
μ 0
×S ×Rm
-
பைடு நூலகம்
d2 /μs
需要提前确定值 :Wmax , f, V reg , ki, B , S, d2 ,μs.
( 22) 分析了相关设计要点. 在变频空调室外机的控制板上设计 频率 10 k的开关电源 ,实际应用效果良好.
[ 4 ] 电子变压器专业委员会编. 电子变压器手册 [ K ]. 沈 阳 :辽宁科学技术出版社 , 1998.
[ 5 ] Xue fei Xie, Poon, FNK and Pong BMH. Voltage driven synchronous rectification in forward topology[ C ] / / Power Electronics and Motion Control Conference, 2000. Pro2 ceedings. P IEMC2000, The Third International, Volume: 1, 2000, 100 - 105.
W leak = 1 /2 ×L leak ×Im2 ax ×f 在实际电路中必须加入缓冲电路 ,释放该能量.
( 23)
漏感与变压器的绕线方法有关 , 同时空气隙 ( d1 )也影 响漏感值 ,工作频率发生变化 ,对 L1 影响较小 ,对漏感影响 较大 :频率变高 ,漏感减少 , 因此测量漏感应以实际工作频
体管 ON 时间设为 Ton ,则有下面的关系式 : Ton = 1 / (2 ×f) 由式 ( 11)得到 :
V reg = L1 ×d Ic / d t = L1 ×Imax / Ton =
2 ×L1 ×Imax ×f
( 12)
每开关一次的能量乘于频率的话 , 变为一次侧储蓄的
功率 ,因为那个功率会转移到二次侧 , 所以二次侧的最大
刘学鹏 ,等 : DC变压器的设计方法
97
从 e =N ×dφ/ d t =N ×dφ/ dI ×d I / dt =L d I / dt 得出 L =N ×dφ/ dI
10) 频率 ( f) , DC /DC比较器的发振频率. 11) 每开关一次的能量 ( E1 ) , 晶体管以频率 f进行开 关 ,每开关一次所储蓄的磁能量.
图 1 次级电压特性 该电压也会根据不同负荷而发生变化 ,负荷较大时 , 次级电压下降 ,二次侧成为稳定电压时的稳压开始电压
变高. 2) 最大输出功率 (Wmax ) 二次侧输出的最大功率. 对于 DC变压器 ,整流二极管
的顺向电压下降 (Vf )也是输出电压的一部分 ,所以这个功 率是包含 Vf 的电压和输出电流的乘积.
[ 2 ] Jovanovic M. M , Zhang, M T and Lee, FC. Evaluationof, synchronous2rectification ef ficiency imp rovement lim its in forward converters [ J ]. Industrial Electronics, IEEE Transactionson, Volume: 42 Issue: 4, Aug. 1995, 387 - 395.
4 设计要点
参考文献 :
二次线圈在晶体管为 OFF的时候决定特性. 带有稳电
压反馈的线圈的圈数的每一圈的分担电压多数以 1 ～2 V
来设计. 圈数基本上只能是整数 ,所以多输出时可以根据
各自的电压来决定整数值.
需要注意的是 ,根据这个每 1线圈的分担电压 ,一次线
圈上产生跟其圈数成比例的启动电压 ,晶体管集电极电压
3. 1 L1 和 Imax
次级电压跟一次电压成比例上升. 晶体管 ON , L1 通过 电流 Ic , L1 上储蓄能量 1 /2 ×L1 ×I2c. 电压较低时 , Ic 变小 , 能量随之变小 ,次级电压变低. 故输出电压为定值 、负荷增
大时一次侧电压值高.
系统稳定时 ,晶体管的 ON 时间和 OFF时间相同 ,晶
率为准. 测定漏感值的方法为 :将二次线圈短路 , 测定一次
线圈电感.
5 结束语
[ 1 ] B ridgeCD , Clamp voltage analysis for RCD forward con2 verters[ C ] / /App lied Power Electronics Conference and Exposition, 2000. APEC2000. Fifteenth Annual IEEE, Volume: 2, 2000, 959 - 965.
1 参数定义 [ 1 - 2 ]
1) 稳压开始电压 (V reg ) 高于该电压 (稳压开始电压 )时 ,二次侧的输出电压就
会变为一定值的电压. 对比额定电压 ,该电压如果降得过 低 ,负荷和电源异常 ,晶体管通过较大电流可能坏掉 ;如果 该电压过高 ,由于电源变动引起输出电压不稳定 ,瞬间停 电导致运行容易停止. 一般它的值不是由电源的设计来决 定的 ,而是由使用环境和负荷进行确定.
2 理念推导
F =φ ×Rm
(1)
F = N ×I
(2)
Rm = d / (μ ×S )
(3)
d为磁心的磁路长 ;μ为导磁率 ; S 为磁心的横截面积.
d = d1 + d2
(4)
d1 为磁心的空气隙 ; d2 为磁心内的磁路长.
μ
=
μ 0
×μs
(5)
μ 0
为真空时
的导
磁
率
;
μ s
为
相
对
导
磁
率
(由 磁 心 材 料 决
( 18)
μ 0
为物理常数
;
d2 、a、b、μs是由磁心决定的值 .
根据式
(
9
)有
Φ m
ax
=L1
×Imax /N 1. 综合式
( 7)得出 :
N 1 = L1 ×Imax / (B ×S )
( 19)
图 3 C型磁心
由式 ( 1) 、式 ( 2)和式 ( 9)求出下列算式
L1 = N 1 ×dφ/ dIc = N 1 ×d (N 1 ×I /Rm ) / dI =
2 reg
/
(8
×W m ax
×f)
根据式 ( 14)得出
( 15)
Imax = 4 ×W max /V reg
( 16)
V reg , Wmax , F 是 由 电 源 的 设 计 决 定 , 从 上 面 得 到
L1 , Imax. 3. 2 磁路和一次线圈 N 1
变频 DC电源变压器全部是输出型 ,结构为图 2 所示
输出 Wmax为式 ( 13) . W max = 1 /2 ×L1 ×Imax 2 ×f
因此
( 13)
所以
W max = 1 / 4 ×V reg ×Imax = 1 /4 ×V reg ×(V reg / ( 2 ×L1 ×f) ) =
1 /8 ×V2reg / (L1 ×f)
( 14)
L1
=
V