变压器设计原理

變壓器設計原理講議

此處所指POWER材是指區別于通訊材料而做為功率傳輸變壓器之用,即通常所說的電源變壓器.

從其應用範圍或功效來講,以主變壓器為主,包括相關磁性元件,大體分為以下幾類:

一. 1.主變壓器(MAIN TRANSFORMER OR SWITCHING MODE TRANSFORMER).在一般電子電器產品中大多使用開關電源,即SWITCHING POWER,故其主變壓器又稱為SWITCHING MODE TRANSFORMER.台達目前生產的SWITCHING MODE TRANSFORMER主要用于MONITOR,TV,POWER SUPPLY,INVERTER,ADAPTOR,RACK POWER,PEOJECTOR,AMD等產品上.該類變壓器的共同特點是直流輸入,通過MOS管變成高頻方波,再通過變壓器輸出,得到所需電壓,通過控制開關管的佔空比,達到調整輸出電壓的目的,若輸出不需整流而以交流方式直接使用,則該種轉換器稱為INVERTER,若需整流成直流再使用,則稱為CONVERTER.從設計角度講,這兩種轉換器設計手法基本相同.

下面重點討論DC-DC CONVERTER的幾種工作方式,按其電路形式分為:

一.FORWORD,FLYBACK,PUSH-PULL(可演變成半橋/全橋式),具體請看設計實例:

(3) FORWARD方式(以重儀為例)

輸入電壓48V (36~60V), 1.5A

額定輸出工作率55W. 最大輸出功率65W. 額定輸出電流5.0V

最大輸出電壓5.5V. 額定輸出電流11.0A F: 470kHz (450~500 kHz)

設計步驟: 選擇PC50. 3F3. N49等材質

選PC50. EPC25. Ae: 46.4mm2. Le: 59.2mm.

BSAT: 3800G

1): 初級最大輸出電流

Ipp= Ic= 2POUT / VINmin= 2*6.5 / 36= 3.6A

2): Np= Vin*108 / (4Fbmax*Ae) 取Bmax=2000G

= 60*108 / (4*450K*2000G*0.464)= 4TS, 調整為6TS

3): Ns= Np *Vo / (Vi*δmax)

= 4* (5.5+1)/(36*0.42)= 1.7TS 調整為2TS

調整為整圈數2TS

4): 反饋繞組. N= Np*(15+1) / (36*0.42)= 6*16/(36*0.42)= 6TS

5): 選擇繞組線徑Np: Φ0.1*120C

Ns: Φ0.1*200C

N: Φ0.25

6): 由於為安全電壓.故不須包MARGIN TAPE.

7): Ns2= 26*(7*0.55) / (100*0.45)= 2TS

8): 計算控制繞組圈數

控制繞組一般為12~15V. 1W

則N= 26*(12+1)*0.55 / (100*0.45)= 4TS

9): 選擇線徑Np: Φ0.5

Ns1: Φ0.6

Ns2: Φ0.4

N: Φ0.18

10): 畫出變壓器原理圖

在圖3-2為順向轉換器基本電路型式,其操作原理說明如下,當開關S關閉時,電流就會順向地流經電感器L,此時在負載上就會有帶極性的輸出電壓產生,如圖3-2(a)所示,由於輸入電壓極性的關係,二極體D此時是在逆向偏壓狀態.如圖

3-2(b)所示,當開關S打開時,電感器L會改變磁場,二極體D則為順向偏壓狀態,因此在電容器C中就會有電流流過,因此在負載RL上輸出電壓的極性仍是相同的,一般我們稱此二極體D為”自由轉輪(free-wheeling)”或”飛輪(flywheel)”二極體.

由於此種轉換動作,使得輸出電源是一種連續形式而非脈動電流的形式,相對的由於開關S在ON/OFF之間改變,所以輸入電流則為不連續形式,也就是所謂的脈動電流形式.

圖3-2順向式或是buck轉換器(a)開關關閉(b)開關打開

3-2隔離順向式轉換器(THE ISOLATED FORWARD CONVERTER) 乍看之下,隔離順向式轉換器(isolated forward converted)的電路與返馳式轉

,與電路波形.

由於順向式轉換器中所使用的隔離元件,乃是一個真正的變壓器,因此為了獲致正確有效的能量轉移,必須在輸出端有電感器,做為次極感應的能量儲存元件.而變壓器的初極繞組與次極繞組(primary and secondary windings)有相同之極性,如圖中所示的圓圈符號,此電路的操作原理如下:當電晶體Q1于ON的狀態時,初極繞組漸漸會有電流流過,並將能量儲存於其中,由於變壓器次極繞組有相同的極性,此能量就會順向轉移至輸出,且同時經有順向偏壓二極體D2,儲存於電感器L中,此時的二極體D3為逆向偏壓狀態.當電晶體Q1轉換成OFF狀態時,變壓器的繞組電壓會反向,D2二極體此時就處於逆向偏壓的狀態,此時飛輪二極體(flywheel diode) D3則為順向偏壓,在輸出迴路上有導通電流流過,並經有電感器L,將能量傳導至負載上.

變壓器上的第三個繞組與二極體D1互相串聯在一起,可達到變壓器消磁(demagnetization)作用,如此可避免當電晶體Q1於OFF時,變壓器的磁能會轉回至輸入直流匯流排上.在圖3-7的波形中有黑色部份的區域,乃為磁化----消磁電流

(magnetizing-demagnetizing current)

Imag=TδmaxVin / L (3-11)

在此Tδmax為Q1電晶體ON時的週期,L為輸出電感值(微亨利uH)

在圖3-7中,由於變壓器的第三個繞組與二極體D1的作用,因此Q1電晶體OFF時,其集極電壓被限制為

Vce.max=2Vin (3-12)

我們由波形中亦可得知集極峰值電壓2Vin,恰為D1二極導在導通之時刻,其導通週期為Tδmax.我們再來看看圖中的波形,當電晶體在ON時,集極電流值的大小,就相當於返馳式轉換器的集極電流值,再加上淨磁化電流值,因此,集極的峰值電流,可寫成下式

Ic=I L / n + TδmaxVin / L (3-13)

在此n: 初極對次極的圈數比

I L: 輸出電感器的電流,A

Tδmax: 電晶體ON時的週期

L: 輸出電感器,uH

吾人得知

Vout= TδmaxVin / n (3-14)

可是

Vin = nVout / Tδmax (3-15)

因此公式3-13可改為Ic= I L / n= nTVout / L (3-16)

假設磁化電流部份nTVout / L與集極峰值電流比較下其值非常小,可予以忽略,此時Ic電流值得大小就與3-1-1節所導出來的Ic值相同

Ic= I L / n=6.2Pout / Vin (3-17)

3-2.2順向式轉換器變壓器(The Forward Converter Transformer) 在設計順向式轉換器的變壓器時,需多加留意選擇適合的鐵芯大小與鐵芯的空氣間隙,以防鐵芯被飽和了.在第五章里我們會有變壓器的公式,來設計出適合的順向式變壓器.變壓器的鐵芯大小為

Volume=u0u e I2magL / B2max (3-18)

在此Imag=nTVout / L (3-19) 另外需注意的是電晶體開關δmax的工作週期需保持低於百分之五十以下,如此當經由第三繞組變壓器電壓會被定位,而輸入電壓之間會有伏特---秒