高频变压器的设计(hao).ppt

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●高频变压器设计程序：
1.磁芯材料 2.磁芯结构 3.磁芯参数
4.线圈参数
5.组装结构
6.温升校核
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1.磁芯材料
软磁铁氧体由于自身的特点在开关电源中应用很广泛。
其优点是电阻率高、交流涡流损耗小，价格便宜，易加
工成各种形状的磁芯。缺点是工作磁通密度低，磁导率
要气隙，则尽可能采用封闭的环形和方框型结构磁芯。
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3.磁芯参数：
磁芯参数设计中，要特别注意工作磁通密度不只是
受磁化曲线限制，还要受损耗的限制，同时还与功率传送的工
作方式有关。 磁通单方向变化时：ΔB=Bs-Br，既受饱和磁通 密度限制，又更主要是受损耗限制，（损耗引起温升，温升又 会影响磁通密度）。工作磁通密度Bm=0.6～0.7ΔB 开气隙可以降低Br,以增大磁通密度变化值ΔB，开气隙后，励 磁电流有所增加，但是可以减小磁芯体积。对于磁通双向工作 而言： 最大的工作磁通密度Bm，ΔB=2Bm。在双方向变化工作
变压器基础知识 1、变压器组成： 原边（初级primary side ） 绕组 副边绕组（次级secondary side ） 原边电感（励磁电感）--magnetizing inductance 漏感---leakage inductance 副边开路或者短路测量原边 电感分别得励磁电感和漏感 匝数比：K=Np/Ns=V1/V2 2、变压器的构成以及作用： 1）电气隔离 2）储能 3）变压 4）变流
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‘+’=适合； ‘0’=一般；‘-’=不适合
磁芯材料的选择应注意的问题： 1、软磁铁氧体，由于具有价格低、适应性能和高频性能好等特点， 而被广泛应用于开关电源中。 2、软磁铁氧体，常用的分为锰锌铁氧体和镍锌铁氧体两大系列， 锰锌铁氧体的组成部分是Fe2O3，MnCO3，ZnO，它主要应用在1MHz 以下的各类滤波器、电感器、变压器等，用途广泛。而镍锌铁氧体 的组成部分是Fe2O3，NiO，ZnO等，主要用于1MHz以上的各种调感 绕组、抗干扰磁珠、共用天线匹配器等。 3、在开关电源中应用最为广泛的是锰锌铁氧体磁心，而且视其用 途不同，材料选择也不相同。用于电源输入滤波器部分的磁心多为 高导磁率磁心，其材料牌号多为R4K～R10K，即相对磁导率为 4000～10000左右的铁氧体磁心，而用于主变压器、输出滤波器等 多为高饱和磁通密度的磁性材料，其Bs为0.5T（即5000GS）左右。
2.5～4A/mm2。导线直径的选择还要考虑趋肤效应。如
必要，还要经过变压器温升校核后进行必要的调整。
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4.线圈参数：
一般用的绕组排列方式：原绕组靠近磁芯，副绕组反
馈绕组逐渐向外排列。下面推荐两种绕组排列形式：
1）如果原绕组电压高（例如220V），副绕组电压低，可
以采用副绕组靠近磁芯，接着绕反馈绕组，原绕组在
装结构。
6.温升校核： 温升校核可以通过计算和样品测试进行。实验温升低 于允许温升15度以上，适当增加电流密度和减小导线 截面，如果超过允许温升，适当减小电流密度和增加 导线截面，如增加直径，窗口绕不下，要加大磁芯， 增加磁芯的散热面积。
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功率变压器根据拓扑结构分为三大类： （1）反激式变压器； （2）正激式变压器； （3）推挽式变压器（全桥/半桥变换器中的变压器） 磁芯结构适合的拓扑结构形式如下页表所示：
最外层的绕组排列形式，这样有利于原绕组对磁芯的
绝缘安排；
2）如果要增加原副绕组之间的耦合，可以采用一半原绕
组靠近磁芯，接着绕反馈绕组和副绕组，最外层再绕
一半原绕组的排列形式，这样有利于减小漏感。
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5.组装结构： 高频电源变压器组装结构分为卧式和立式两种。如果 选用平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯，都采用卧式组
可能要用气隙磁通边缘效应校正匝数
5.原、副边及辅助绕组的线径
有两种方法：1、求裸线面积； 2、求导线直径 （J电流密度取 4A/mm2)
I * 0 . 7 7 3 2 r m s A 0 . 7 3 1 * 1 0 c m x p J
I p r m s d 1 . 1 3 * 0 . 3 4 6 m m w p J 用两根直径为0.18mm线并绕，或者用AWG #28单股线
为了防止磁芯的瞬间出现饱和，预留一定裕量，取 Bm= ΔBmax*0.6=0.198T 取0.2T
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变压器视在功率PT：对于反激拓扑来说，
P ( 2 1 1 ) * 3 o u t P P P P ( 2 1 1 ) * 3 1 4 8 . 5 W T i n o u t o u t 0 . 8

2. 计算AP
（用Excel表格来计算AP值）
4 P * 1 0 4 T A P 0 . 7 8 3 c m B * f * 1 0 0 0 ** JK m s u
式中：
J电流密度，通常取395A/cm2; Ku是铜窗有效使用系数，根据安规要求和输出路数决定，一般 取0.2～0.4。在此计算取0.4
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磁芯结构 E cores
Planar E Cores
EFD Cores ETD Cores ER Cores U Cores RM Cores EP Cores P Cores Ring Cores
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变换器电路类型 反激式 正激式 推挽式 + + 0 + 0 + + 0 + + 0 + + + 0 0 0 + 0 + 0 + 0 + +
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开关电源用铁氧体磁性材应满足以下要求： （1）具有较高的饱和磁通密度Bs和较低的剩余磁通密度Br 磁通密度Bs的高低，对于变压器和绕制结果有一定影响。从 理论上讲，Bs高，变压器绕组匝数可以减小，铜损也随之减小 在实际应用中，开关电源高频变换器的电路形式很多，对于变 压器而言，其工作形式可分为两大类： 1）双极性：电路为半桥、全桥、推挽等。变压器一次绕组里正负 半周励磁电流大小相等，方向相反，因此对于变压器磁心里的磁通 变化，也是对称的上下移动，B的最大变化范围为△B=2Bm，磁心中 的直流分量基本抵消。 2）单极性：电路为单端正激、单端反激等，变压器一次绕组在1个 周期内加上1个单向的方波脉冲电压（单端反激式如此）。变压器 磁心单向励磁，磁通密度在最大值Bm到剩余磁通密度Br之间变化， 这时的△B=Bm－Br，若减小Br，增大饱和磁通密度Bs，可以提高 △B，降低匝数，减小铜耗。
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设计变压器主要有很两种方法：面积积AP法 积Ae与线圈有效窗口面积Aw的乘积。
AP：磁芯截面
PT-变压器的计算功率 Ae-磁芯有效截面积 Aw-磁芯窗口面积 Ko-磁芯窗口利用系数，典型值为0.4 Kf-波形系数，方波为4，正弦波为4.44 Bw-磁芯的工作磁感强度
Fs-开关工作频率
类的变换器有推挽变换器、半桥和全桥变换器、交流滤波电感
等。
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（2）在高频下具有较低的功率损耗 铁氧体的功率损耗，不仅影响电源输出效率，同时会导致磁心发 热，波形畸变等不良后果。 变压器的发热问题，在实际应用中极为普遍，它主要是由变压器 的铜损和磁心损耗引起的。如果在设计变压器时，Bm选择过低， 绕组匝数过多，就会导致绕组发热，并同时向磁心传输热量，使磁 心发热。反之，若磁心发热为主体，也会导致绕组发热。 选择铁氧体材料时，要求功率损耗随温度的变化呈负温度系数关 系。这是因为，假如磁心损耗为发热主体，使变压器温度上升，而 温度上升又导致磁心损耗进一步增大，从而形成恶性循环，最终将 使功率管和变压器及其他一些元件烧毁。因此国内外在研制功率铁 氧体时，必须解决磁性材料本身功率损耗负温度系数问题，这也是 电源用磁性材料的一个显著特点，日本TDK公司的PC40及国产的 R2KB等材料均能满足这一要求。
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次级线径：
I 0 d 1 . 1 3 * 1 . 0 m m w p J
用4根直径为0.25mm（AWG #31）的线并绕。 电流趋肤深度的计算
7 6 .5 * fs * 1 0 0 0 0 .3 1 m m d * 2 * 0 .9 0 .5 5 8 m m W H
不高，磁致伸缩大，对温度变化比较敏感。选择哪一类
软磁铁氧体材料更能全面满足高频变压器的设计要求，
进行认真考虑，才可以使设计出来的变压器达到比较理
想的性能价格比。
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2.磁芯结构 选择磁芯结构时考虑的因数有：降低漏磁和漏感， 增加线圈散热面积，有利于屏蔽，线圈绕线容易，装配 接线方便等。 漏磁和漏感与磁芯结构有直接关系。如果磁芯不需
模式时，还要注意由于各种原因造成励磁的正负变化的伏秒面
积不相等，而出现直流偏磁问题。可以在磁芯中加一个小气隙， 或者在电路设计时加隔直流电容。
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4.线圈参数： 线圈参数包括：匝数，导线截面（直径），导线形式， 绕组排列和绝缘安排。 导线截面（直径）决定于绕组的电流密度。通常取 J为
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（3）适中的磁导率 相对磁导率究竟选取多少合适呢？这要根据实际线路的开关频率 来决定，一般相对磁导率为2000的材料，其适用频率在300kHz以 下，有时也可以高些，但最高不能高于500kHz。对于高于这一频段 的材料，应选择磁导率偏低一点的磁性材料，一般为1300左右。 （4）较高的居里温度 居里温度是表示磁性材料失去磁特性的温度，一般材料的居里温 度在200℃以上，但是变压器的实际工作温度不应高于80℃，这是 因为在100℃以上时，其饱和磁通密度Bs已跌至常温时的70％。因 此过高的工作温度会使磁心的饱和磁通密度跌落的更严重。再者， 当高于100℃时，其功耗已经呈正温度系数，会导致恶性循环。对 于R2KB2材料，其允许功耗对应的温度已经达到110℃，居里温度 高达240℃，满足高温使用要求。
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根据上图，选择大于计算AP值的磁芯 EE3528，相关参数是：
Ae:84.8mm2
Wa：158mm2
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AP：1.3398cm4
AL：2600nH/H2
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反为了适应突变的负载电流，把电源设计在临界模式： 临界电流I0B=0.8×I0=2.4A 3. 计算原、副边电感量及匝数
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原、副边峰值电流
原、副边及辅助绕 组的匝数
百度文库
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为了避免磁芯饱和，在磁回路中加入一个适当的气隙，计 算如下： l
g

2 8 0 .4 *N 1 0 p *A e*
L p
2 0 .4 * 3 .1 4 1 5 6 * 1 0 6 * 8 4 .8 0 .8 3 m m 1 4 3 4 * 0 .0 0 1
Kj-电流密度系数，取395A/cm2 X-磁芯结构系数，P107表3-8
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按照功率变压器的设计方法，用面积积AP法 设计变压器的一般步骤： 1 .选择磁芯材料，计算变压器的视在功率； 2. 确定磁芯截面尺寸AP，根据AP值选择磁芯 尺寸； 3. 计算原副边电感量及匝数； 4. 计算空气隙的长度； 5. 根据电流密度和原副边有效值电流求线径； 6. 求铜损和铁损是否满足要求（比如：允许 损耗和温升）
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电源的基本参数如右： 选择反激拓扑。
1. 选择磁芯材料，确定变压器的视在功率PT； 考虑成本因数在此选择PC40材质，查PC40资料得 Bs=0.39T Br=0.06T
B B B 0 . 3 9 T 0 . 0 6 T 0 . 3 3 T m a x s r
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变压器或者电感根据在拓扑结构中的工作方式分为三大类： 1、 直流滤波电感工作状态，电感磁芯只工作在一个象限。属于这 类工作状态的电感有Boost电感、Buck电感、Buck/boost电感、
正激以及所有推挽拓扑变换器输出滤波电感、单端反激变换器
变压器； 2、正激变换器中的变压器，磁芯也只工作在一个象限， 但变压器要进行磁复位。 3、 推挽拓扑中的变压器，磁芯是双向交变磁化，属于这