随心录红尘30KHz开关电源的高频变压器设计
(2) 非隔离式
3.2.4 按电路的拓扑结构
(1) 隔离式有正激式、反激式、推挽式、半桥式和全桥式。 (2) 非隔离式有降压型、升压型和升降压型等。
3.3 开关电源变压器的电路原理
3.3.1 正激电路
图2-1正激电路
3.3.1.1 电路的工作过程
(1) 开关S开通后,变压器绕组N1两端的电压为上正下负,与其耦合的N2绕组
两端的电压也是上正下负.因此VD1处于通态,VD2为断态,电感L的电流逐渐增长；
(2) S关断后,电感L通过VD2续流,VD1关断.S关断后变压器的激磁电流经N3绕组和VD3流回电源,所以S关断后承受的电压为0；
3.3.1.2 变压器的磁芯复位
开关S开通后,变压器的激磁电流由零开始,随着时间的增加而线性的增长,直到S关断.为防止变压器的激磁电感饱和,必须设法使激磁电流在S关断后到下一次再开通的一段时间内降回零,这一过程称为变压器的磁心复位。
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沈阳工程学院毕业设计（论文）
3.3.1.3 正激电路的理想化波形
图2-2正激电路的理想化波形
变压器的磁芯的复位时间为：TIST=N3*Ton/N1
输出电压：输出滤波电感电流连续的情况下：TIST=N3*Ton/N1
3.3.1.4 磁心复位过程
图2-3磁心复位过程
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30KHz开关电源的高频变压器设计
4 开关电源的高频变压器基本设计思路
4.1 高频变压器的设计要求
（1）高频变压器的的4项设计要求：使用条件，完成功能，提高效率，降低成本 。 （2）高频变压器产生电磁干扰的主要原因之一是磁心的磁致伸缩，高频变压器产生电磁干扰的原因还有磁芯之间的吸力和绕组导线之间的斥力。
4.2 高频变压器的设计步骤
4.2.1磁心材料的选择
设计高频变压器,选择软磁材料是关键的第一步,各种磁芯的特性比较如表1所示。高频变压器磁芯一般使用软磁材料。软磁材料有较高磁导率,低的矫顽力,高的电阻率。磁导率高,在一定线圈匝数时,通过不大的激磁电流就能有较高的磁感应强度,线圈就能承受较高的外加电压,因此在输出功率一定的情况下,可减轻磁芯体积。磁芯矫顽力低,磁滞回环面积小,则铁耗也少[4]。电阻率高则涡流小,铁耗也小。铁氧体材料是复合氧化物烧结体,和其它软磁磁芯材料一样,软磁铁氧体的优点是电阻率高、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、磁导率不高、磁致伸缩大、对温度变化比较敏感。它适合高频下使用,因此高频变压器一般采用铁氧体材料作为磁芯。
4.2.2磁心结构的选择
4.2.2.1 磁心基本结构
（1）叠片,通常由硅钢或镍钢薄片冲剪成E、I、F、O等形状,叠成一个铁芯。 （2）环形铁芯,由O型薄片叠成,也可由窄长的硅钢、合金钢带卷绕而成。 （3）C形铁芯,此种铁芯可免去环形铁芯绕线困难的缺点,由二个C型铁芯对接而成。
（4）罐形铁芯,它是磁芯在外,铜线圈在里,免去环形线圈不便的一种结构形式,可以减少EMI。缺点是内部线圈散热不良,温升较高。
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4.2.2.2 选择磁心结构应考虑的因素
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。在高频变压器磁芯结构设计中,对窗口面积的大小,要综合考虑各种因素后来决 定。为了防止高频电源变压器从里向外和从外向里的电磁干扰,有些磁芯结构在窗口外面有封闭和半封闭外壳。封闭外壳屏蔽电磁干扰作用好,但散热和接线不方便,必须留有接线孔和出气孔。半封闭外壳,封闭的地方起屏蔽电磁干扰作用,不封闭的地方用于接线和散热。如果窗口完全开放,接线和散热方便,屏蔽电磁干扰作用差。
4.2.3磁心参数ΔB的选择
高频变压器磁芯参数选择时,必须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。对于磁通单方向变化的工作模式: ,ΔB既受饱和磁通密度限制,又受损耗限制。对于磁通双方向变化的工作模式: ,工作磁滞回线包围的面积比局部回线大得多,损耗也大得多,ΔB主要受损耗限制,而且还要注意出现的直流偏磁问题。对电感器功率传送方式,磁导率是有气隙后的等值磁导率,一般都比磁化曲线测出的磁导率小。
4.2.4线圈参数的计算与选择
（1）高频变压器的线圈参数包括:匝数、导线截面(直径)、导线形式、绕组排列和绝缘安排。原绕组匝数根据外加激磁电压或者原绕组激磁电感(储存能量)来决定,匝数不能过多也不能过少。如果匝数过多,会增加漏感和绕线工时;如果匝数过少,在外加激磁电压比较高时,有可能使匝间电压降和层间电压降增大,而必须加强绝缘。副绕组匝数由输出电压决定。导线截面(直径)决定于绕组的电流密度。还要注意的是导线截面(直径)的大小还与漏感有关。
（2）高频变压器的绕组排列形式有:①如果原绕组电压高,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如果要增加原和副绕组之间耦合,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绕组排列形式,这样有利于减少漏感。另外,当原绕组为高压绕组时,匝数不能太少,否则,匝间或者层间电压相差大,会引起局部短路。
（3）对于绝缘安排,首先要注意使用的电磁线和绝缘件的绝缘材料等级要与磁芯和绕组允许的工作温度相匹配。等级低,满足不了耐热要求,等级过高,会增加不必要的材料成本。其次,对在圆柱形磁路上绕线的线圈,最好采用线圈骨架,既可以保证绝缘,又可以简化绕线工艺。另外,线圈最外层和最里层,高压和低压绕组之间都要加强绝缘。如果一般绝缘只垫一层绝缘薄膜,加强绝缘应垫2～3层绝缘薄膜。
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4.2.5组装结构的选择
高频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,都采用卧式组装结构,上下表面比较大,有利于散热;其它的都采用立式结构。另外,组装结构中采用的夹件和接线端子等尽量采用标准件,以便于外协加工,降低成本。
4.2.6工作点的确定
对于新买来的磁芯,由于厂家提供的磁感应强度值并不准确,一般先要粗略测试它,具体方法:将调压器接至原线圈,用示波器观察副线圈输出电压波形,将原线圈的输入电压由小到大慢慢升高,直到示波器显示的波形发生奇变,此时磁芯已饱和,根据公式:U=4.44fN1Φm可推知在ΦM值。
4.2.7变压器磁芯的具体计算方法
用AP法计算高频变压器铁芯。主要过程:先是求出磁芯窗口面积Aw与磁芯有效截面积AE的乘积AP,再根据AP值,查表找出磁性材料的编号,然后选择合适的铁芯材料。
4.2.8实际高频变压器的设计过程
（1）设变压器的输入电压V1=24V,功率P0=250W,效率η=0.95,输出电压V2=220V,采用E型磁芯,允许温升25℃,KJ=323, X=-0.14,饱和磁通密约为0.35T,考虑到高温时饱和磁密会下降,同时为了防止合闸瞬间高频变压器饱和,取饱和磁密的1/3为变压器的工作磁密,即BW=0.117T。
（2）设工作频率为20kHz,由计算得AP=6.65×(1+10%)≈7.28cm4,取10%裕度后,AP=8.09 cm4。
（3）查设计手册选取E17铁氧体磁芯,那么其AW=2.56cm2,Ae=3.80cm2, AP=9.73cm4满足要求。
（4）高频变压器设计好后必须进行温升校核,温升校核可以通过计算和实物测试来进行。如果实物测试温升不超过允许温升就可以通过。如果试验温升低于允许温升15℃以上,那么要对绕组的电流密度和导线截面进行调整,适当增加电流密度和减少导线截面。如果实物试验温升超过允许温升,则要对绕组的电流密度和导线截面进行调整,适当减少电流密度和增加导线截面。如果增加导线截面,导致窗口绕不下,要增加磁芯尺寸。如果实物试验磁芯温升超过允许温升,则要增加磁芯的散热面积,加大磁芯。
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