开关电源中变压器及电感设计3
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分析高压大功率平面变压器和电感器的优化设计摘要:平面变压器是一种新兴的开关电源产品,其设计合理性能够直接影响到开关电源产品的大小、成本和性能,鉴于此,要想使其在一些大功率开关电源设备中发挥出最大的利用价值,关键任务就是要对当前结构设计较为复杂的大功率平面变压器和电感器进行全面的优化与完善。
本文也会通过相应的仿真模型,来对两者的优化设计进行着重分析,并提出合理的意见和建议,以便有关人士参考。
关键词:平面变压器;电感器;优化设计要点;研究分析前言目前,在高压大功率场合中,大功率平面变压器一般都会根据拓扑电路进行单独设计,而一般的设计方法仅仅是满足电路能正常工作,并不是性价比高的设计,鉴于此,要想改善现状,使大功率平面变压器在高压大功率开关领域中得到更好的应用与发展,当务之急就是要对平面变压器和电压器的结构设计进行全面的优化。
1.高压大功率平面变压器的热仿真及优化设计分析通常,判断平面变压器的设计是否合理,关键任务就是要看其温升是否合理,即变压器的工作温度是否为最佳工作温度。
鉴于此,在对高压大功率平面变压器进行优化设计时,就要采用AnsysWorkbench热仿真软件对平面变压器进行热仿真分析,在这一环节中,首先要根据变压器实物构建一个热仿真模型,如图一所示。
并在模型中输入相应的模型参数,如材料参数、环境参数等,同时还要利用有限元的方法对这些参数进行计算,这样才能在后处理结果中获得变压器的温度参数。
从最终仿真结果来看,平面变压器的绕组温升较低,而磁芯的温升较高,这证明变压器在运行过程中,会产生较大的磁芯损耗。
另外,为了准确计算出变压器的热阻值,还要在热仿真模型中分别将磁芯损耗和绕组损耗设置成唯一的热源,这样能根据模型求解出变压器的热阻值,即根据模型求解结果显示,当变压器在运行期间磁芯温度和绕组温度都高于标准值时,就会产生单磁芯损耗问题;另外,若变压器在工作状态下,仅绕组温度较高,而磁芯温度正常时,会产生单绕组损耗问题,鉴于上述情况,要想得以改善,就要结合热电相似原理,将最大温升带入到热模型中,来对模型中各部分热阻进行计算。
开关电源工程化实用设计指南开关电源是一种非常重要的电力转换设备,它可以将输入的直流电压转换为输出的交流电压,从而满足各种电子设备的供电需求。
开关电源的工程化实用设计是一项涉及到多个领域的技术工作,包括电路设计、磁性元件设计、功率转换器设计、控制器设计和可靠性设计等。
下面将介绍开关电源的工程化实用设计指南。
一、电路设计开关电源的电路设计是整个设计的核心,也是最关键的一步。
在电路设计中,需要考虑以下几个方面的因素:输入和输出电压:开关电源的输入和输出电压需要根据电子设备的实际需求来确定。
在输入电压方面,需要考虑到电网电压的波动和噪声等因素,确保开关电源能够稳定工作。
在输出电压方面,需要根据电子设备的功率和负载特性来进行设计,确保输出的电压能够满足电子设备的供电需求。
功率容量:开关电源的功率容量需要根据电子设备的功率需求来确定。
在确定功率容量时,需要考虑到开关电源的最大负载和可能出现的峰值负载等因素,确保开关电源的功率容量足够且不会出现过载或损坏的情况。
电路拓扑:开关电源的电路拓扑是指其基本电路结构。
根据不同的需求,可以选择不同的电路拓扑来进行设计。
常用的电路拓扑包括BUCK型、BOOST型、BUCK-BOOST型等,需要根据实际情况来选择合适的电路拓扑。
控制方式:开关电源的控制方式是指如何控制开关管的导通和关断,以达到稳定输出电压的目的。
常用的控制方式包括脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制(PFM)和电流模式控制等,需要根据实际情况来选择合适的控制方式。
二、磁性元件设计开关电源中的磁性元件主要包括电感和变压器,它们在功率转换器中起到重要的作用。
在磁性元件设计中,需要考虑以下几个方面的因素:磁芯材料:磁芯材料的选择是磁性元件设计的关键。
常用的磁芯材料包括铁氧体、坡莫合金和非晶合金等,需要根据实际情况来选择合适的磁芯材料。
线圈设计:线圈设计是磁性元件设计的另一个关键因素。
在电感设计中,需要考虑到线圈的匝数、线径和绕制方式等因素,以确保电感能够满足开关电源的负载需求。
开关电源中变压器及电感设计1开关电源中变压器及电感设计1一、变压器设计1.根据电源输出需求确定变压器的额定功率和工作频率。
2.计算变压器的变比。
变压器的变比决定了输入电压和输出电压之间的关系。
通常变压器的变比为输入和输出电压之比的倒数,即输出电压/输入电压。
3.根据变比计算次级匝数。
变压器的次级匝数等于输入匝数乘以变比。
4.根据次级匝数计算主绕组匝数。
主绕组匝数等于次级匝数除以变比。
5.计算主绕组和次级绕组的截面积。
主绕组的截面积一般比次级绕组大,以满足输送更大电流。
6.计算铁芯截面积。
铁芯截面积的大小关系到变压器的能量传输效率,一般选择铁芯截面积略大于主绕组的截面积。
7.选择合适的铁芯材料和线材材料。
铁芯材料的导磁性能和线材材料的电阻等参数会影响变压器的损耗和效率。
8.进行变压器的相关参数计算和模拟。
可以使用相关软件进行变压器参数的计算和仿真,以评估变压器的性能。
9.制作变压器的绕组和组装。
根据计算结果进行绕线并组装变压器。
10.进行变压器的测试和调整。
使用仪器测试变压器的性能,并根据测试结果调整变压器的参数,以满足设计要求。
二、电感设计1.根据电源输出需求确定电感的额定电流和工作频率。
2.根据电感的额定电流和工作频率计算电感的感值。
电感的感值和额定电流和工作频率之间有一定的关系,可以根据公式进行计算。
3.根据感值计算电感的绕组数。
电感的绕组数决定了电感的电流走向和电感的大小。
4.选择合适的磁芯和线材材料。
合适的磁芯材料和线材材料会影响电感的损耗和效率。
5.进行电感的相关参数计算和模拟。
可以使用相关软件进行电感参数的计算和仿真,以评估电感的性能。
6.制作电感的绕组和组装。
根据计算结果进行绕线并组装电感。
7.进行电感的测试和调整。
使用仪器测试电感的性能,并根据测试结果调整电感的参数,以满足设计要求。
总结:变压器和电感的设计是开关电源设计中关键的一环,直接影响到电源的性能和稳定性。
在设计过程中,需根据电源输出需求确定额定功率和工作频率,并计算变压器和电感的相关参数。
开关电源变压器共模电感设计注意事项在电源变压器的设计过程中,工程师们需要严格的计算并完成共模电感设计和数值选取,这直接关系到开关电源变压器的运行精度。
在今日的文章中,我们将会就开关电源变压器的共模电感设计绽开简要分析,看在电源变压器共模电感设计和计算过程中,都应当留意哪些问题。
在电源变压器的设计和制作过程中,工程师所要进行的共模电感设计,其所需要的基本参数主要有三个,分别是输入电流,阻抗及频率,磁芯选取。
先来看输入电流。
这一参数值直接打算了绕组所需的线径。
在线径的计算和选取时,电流密度通常取值为400A/cm,但此取值须随电感温升的变化。
通常状况下,绕组使用单根导线作业,这样可削减高频噪声及趋肤效应损失。
在计算过程中,开关电源变压器共模电感的阻抗在所给的频率条件下,一般规定为最小值。
串联的线性阻抗可供应一般要求的噪声衰减。
但实际上,线性阻抗问题往往是最简单被人忽视的,因此设计人员常常以50W线性阻抗稳定网络仪来测试共模电感,并慢慢成为一种标准测试共模电感性能的方法。
但所得的结果与实际通常有相当大的差别。
实际上,共模电感在正常时角频首先会产生每八音度增加-6dB 衰减(角频是共模电感产生-3dB)的频率此角频通常很低,以便感抗能够供应阻抗。
因此,电感可以用这一公式来表达,即:Ls=Xx/2πf 。
这里还有一个问题需要工程师需要留意,那就是在进行共模电感设计时须留意磁芯材料和所需的圈数问题。
首先来看磁芯型号的选取问题,此时假如有规定电感空间,我们就按此空间来选取合适的磁芯型号,如没有规定,通常磁芯型号的随便选取。
在确定了电源变压器的磁芯型号之后,接下来的工作就是计算磁芯所能绕最大圈数。
通常来说,共模电感有两绕组,一般为单层,且每绕组分布在磁芯的每一边,两绕组中间须隔开肯定的距离。
双层及积累绕组亦有间或使用,但此种作法会提高绕组的分布电容及降低电感的高频性能。
由于铜线的线径已由线性电流的大小所打算,内圆周长可以由磁芯的内圆半径减去铜线半径计算得来。
开关电源的设计与制作第一章开关电源概述一. 什幺是开关电源(Switching Power Supply)所谓开关电源是指以高频变压器取代工频变压器,采用脉冲调制技术的直流直流变换器型稳压电源.开关晶体管,开关二级管和开关变压器是组成开关电源的三个关键组件.二. 隔离式高频开关电源.图标说明:1)交流线路电压无论是来自电纲的,还是经过变压器降压的,首先要经过电纲滤波,以消除电磁干扰和射频干扰;2)经电纲滤波后的电流首先要经过整流,滤波电路变成含有一定脉动电压成分的直流电压,然后进入高频变换部分;3)高频变换器具有多种形式,主要分为半桥式,全桥式,推挽式,单端正激式,单端反激式等;高频变换部分的核心是一个高频功率开关组件,比如开关晶体管,场效应管(MDSFET)等组件,高频变换器产生高频(20KHZ以上)高压方波,所得到的高压方波送给高频隔离变压器的初级,在变压器的次级感应出的电压被整流,滤波后就产生了低压直流.4)脉冲宽度调制器(P WM)主要用于调节输出电压,使得在输入交流和输出直流负载发生变化时,输出电压能保持稳定,运作过程是P WM电路通过输出电压采样,并把采样的结果反馈给控制电路,控制电路把它与基准电压作比较,根据比较结果来控制高频功率开关组件的开关时间比例(占空比),达到调整输出电压的目的.(注:控制电路还有调频方式的)5)为了使整个电路安全可靠地工作,必须设置过压,过流保护电路等辅助电路.三.开关电源常用术语.1.效率(dfficiency):电源的输出功率与输入功率的百分比(测量条件为满负载,输入交流电压为标准值)2.ESR: 等效串联电阻,它表示电解电容呈现的电阻值的总和. ESR值越低的电容,性能越好.3.输出电压保持时间: 在开关电源的输入电压撤离后,依然保持其额定输出电压的时间;4.激活浪涌电流限制电路: 属保护电路,它对电源激活时产生的尖峰电流起限制作用.5.隔离电压: 电源电路中的任何一部分与电源基板地之间的最大电压.或者能够加在开关电源的输入端与输出端之间的最大直流电压.6.线性调整率: 输出电压随输入线性电压在指定范转内变化的百分率,条件是线电压和环境温度保持不变.7.负载调整率: 输出电压随负载在指定范围内变化的百分率,条件是线电压和环境温度保持不变.8.噪音和纹波: 附加在直流输出信号上的交流电压和高频兴峰信号的峰值.通常是以mV度量.9.隔离式开关电源: 一般指高频开关电源,它从输入的交流电源直接进行整流和滤波,不使用低频隔离变压器.10.输出瞬态响应时间: 从输出负载电流产生变化开始,经过整个电路的调节作用,到输出电压恢复额定值所需要的时间.11.过载或过流保护: 防因负载过重,使电流超过原设计的额定值而造成电源损坏的电路.12.远程检测: 为了补赏电源输出的电压降,直接从负载上检测输出电压的方法.13.软激活: 在系流激活时,一种延长开关波形的工作周期的方法,工作周期是从零到它的正常工作点所用的时间.14.电磁干扰无线频率干扰(EMI一RFI):那些由开关电源的开关组件引起的,不希望传输和发射的高频能量频谱.15.快速短路保护电路:一种用于电源输出端的保护电路,当出现过压现象时,保护电路激活,将电源输出端电压快速短路.16.占空比:在高频开关电源中,开关组件的导通时间和变换器的工作周期之比.即:δ=Ton /Τ(T= Ton+Toff)开关电源的设计与制作第二章输入电路一.电压倍压整流技术世界范围内的交流输入电压,通常是交流90~130V和180~260V的范围,为了适应不同电源输入环境的需要,实现两种输入电源的转换,要利用倍压整流技术.如下图2一1所示.2一15可用于110V和220V交流的开关电源输入电路电路工作过程为:1)当开关S1闭合时,电路在115V交流输入电压下工作,在交流电的正半周,通过二极管VD1和电容器C1被充电到交流电压的峰值,即115×1.4=160V,在交流电的负半周,电容器C2通过二极管VD4也被冲电到160V, 这样,电路输出的直流电压应该是电容器C1和C2上充电电压之和(160+160V=320V) 注意:不同的用电环境电压选择开关位置一定要选择正确.否则,会导致直流变换器中的开关功率管损坏,或因为输入电压太低而使开关电源进入欠压输入自动保护状态.二.抗电磁干扰和射频干扰电路考虑输入滤波电路(电纲滤波)1.开关电源的设计,生产,一定要将其辐射和传导干扰降低到可接受的程度.在美国,权威的指导性文件是F CCD ocket20780,在国际上,德国的Verband Deutscher Elektronotechniker(VDE)安全标准则得到了广泛的采用.2.开关电源中的RFI产生源:开关噪声的主要来源是开关晶体管,主回路整流器,输出二极管,晶体三极管的保护二极管以及控制单元本身.反激式变换器,由于设计的原因,其输入电流波形呈现三角形,较之输入波形为矩形的变换器,如正激式,桥式变换器等将产生较少的传导RFI噪声.(付里叶分析表明,一个三角形电流波形的高频谐波幅度是以40dB每倍频程进行跌落的,而对一个差不多的矩形电流波形,则只呈现20dB每倍频程的跌落)3.交流输入线路噪声滤波器对RFI的抑制.通常在开关电源中采用的噪声抑制方法是在主交流输入回路接入一个LC组成的滤波器,用于差模一共模方式的RFI抑制,通常是交流线路上串入一对电感L1, , 其两端并联二只电容器(X电容器),并在交流线二端对大地各接一只电容器(Y电容器),如图2一2(低通滤波纲络)2一2开关电源输入线路滤波器结构1)上图中电容电感的值可以采用下列的数值:C (X): 0.1~2UF;C(Y): 2200PF~ 0.033uF;L: 在25A时, 为1.8mH; 0.3A时, 为47mH注意:在选择滤波器的组件时,重要的是要使输入滤波器的谐振频率远低于电源的工作频率;另一方面,滤波器使得电源的工作频率增加时,会使噪声的传导变得更容易.2)上图中并联在交流输入线的电阻R是X电容的放电电阻,这是由VDE一0806和IEC一380两个标准中的有关安全的规范条款推荐应用的.IEC一380的8.8节阐明:若线路滤波器的X电容器的值大于0.1UF,则放电电阻的数值应由下式确定:R=t /2.21c (2一1)式中,t=ls, c为l电容器的总和值3)为进一步减少对称和不对称的干扰电压的措施是在交流线路中另外再接入一对电感L2,从而使得电容C4(X)的充电电流得到限制,于是降低了干扰,如图2一32一3改进的线路滤波器上图中L1与C3.C4组成常模抗干扰回路,L1与C1.C2组成共模,抗干扰回路,L2用于C4的充电电流的限制,因此,整个组合对各种高频干扰信号的抑制作用较好.三.输入整流器及整流后滤波电路.一)输入整流器如图2一1中,此整流电路由VD1~VD4组成(桥式或倍压整流)在选择组合组件或分立组件的整流器时,必须要查对下面的一些重要参数:1.最大正向整流电流,这个参数主要根据开关电源设计的输出功率决定.所选择的整流二极管的稳态电流容量至少应是计算值的2倍.2.峰值反向截止电压(PIV).由于整流器工作在高电压的环境,所以它们必须有较高的PIV值,一般应为600V以上.3.要有能承受高的浪涌电流的能力.二.输入滤波电容.由于滤波电容的选择将会影响到:电源输出端的低频交流波及电压和输出电压保护时间.一般情况下,高质量的电解电容所具有的滤除交流波纹电压的能力越强,它的ESR值越低.其工作电压的额定值至少应达到200V.在图2一1中,C1,C2 为滤波电容,电阻R4,R5与之并联以便在电源关闭时,给电容提拱一个放电通路.计算滤波电容的公式为:C=It /ΔV (2一2)式中C: 电容量, F;I: 负载电流 At: 电容提供电流的时间, s;ΔV: 所允许的峰一峰值纹波电压v .例:计算50w开关电源的输入滤波电容器的值.设输入交流电压为115V,60HZ,允许30V峰一峰值的纹波电压,且电容可维持电压电平的时间为半周期.解:1)计算直流负载电流假定一个最坏的情况,电源的效率为70%,那幺,输出功率为50W的电源其输入功率应该是:Pin=Pout/η=50 / 0.7=71.5(w)利用电压倍压技术(图2一1),在输入交流为115V时,直流输出电压将是2×(115×1∙4)=320(V),则负载直流电流应为I=P/E=7105/320=0.22(A)2)因半周期的线性频率或者说对于60HZ的交流电压大约是8ms,即t=1/2×1/60=8.33ms,故根据式2一2有.C=0.22(8×10 –3) /30=58×10 _6 =58(uF)选择标称值为50 uF的电容器.3)因为在倍压结构中,C4C5为串联,故有1/C=1/C1+1/C2,有C1=C2=100uF,即50W的开关电源,其滤波电容C4,C5为100uF.四.输入保护电路一).浪涌电流1.浪涌,一般情况下,只是电容的ESR值,如果不采取任何保护措施,浪涌电流可接近几百安培.2.控制电流主要是由滤波电容充电引起的,在开关管开始导通的瞬间,电容对交流电呈现出很低的阻抗浪涌电流的方法:广泛采用的措施有两种,一种是利用电阻 双向可控硅并联纲络;另一种是采用负温度系数(NTC)的热敏电阻,用以增加对交流线路的阻抗.1) 如图2一1,R 1,VS 组成此电路,R 1与VS 并联,当输入滤波电容充满电后,由于双向可控硅和电阻是并联的,可以把电阻短路,对其进行分流.这种电路结构需要一个触发电路,当某些预定的条件满足后,触发电路把双向可控硅触发导通,如图2一4 所示.1 T 2可控硅VS 的工作过程为:当电源接通后,C 6两端的电压逐渐升高,电流相应稳定.在C 6两端的电压稳定之前,浪涌电流被与之串联的电阻R 1(6.8Ω)所抑制,当输入交流为115V 时,C6两端的电压V C =115×1∙4=160(V).当电容器C 6充电时,电压加到高频变压器T 1的绕组LB 上,则在绕组LP 4端上产生感应电压,当感应电压达到1.5V 时,电流I G 开启可控硅.即当IG 流过可控硅的控制极G 时,触发T 1与T 2短接,可控硅导通,电阻R 1被VS 短路,使其温度下降,于是实现了R 1抑制浪涌电流的目的 .注:设计时要认真地选择双向可控硅的参数,并加上足够的散热片,因为在它导通时,要流过全部的输入电流.2)热敏电阻技术:这种方法是把负温度系数(NTC)的热敏电阻串联在交流输入或者串联在经过桥式整流后的直流线上,如2一1图中的RT 1和RT 2,其工作原理为:当开关电源接通后,热敏电阻的阻值基本上是电阻的标称值,这样,由于阻值较大,它就限制了浪涌电流,当电容开始充电时,充电电流流过热敏电阻开始对其加热.由于其具有负温度系数,随着电阻的加热,其电阻值开始下降,如果热敏电阻选择得合适,在负载电流达到稳定状态时,其阻值应该是最小,这样,就不会影响整个开关电源的效率..二) 输入瞬间电压保护一般情况下,交流电纲上的电压比较稳定,但由于电纲附近电感性开关,暴风雨天气雷电等现象的存在,都会产生高压的尖峰(如受严重的雷电影响,电纲上的高压尖峰可达5KV;而电感性开关产生的电压尖峰的能量公式W=1/2L.I2.式中L是电感器的漏感:I是通过线圈的电流)可是,虽然电压尖峰持续的时间很短,但是它有足够的能量使开关电源的输入滤波器,开关晶体管等造成致命的损坏,故必须采取措施加以干扰.最通用的抑制干扰器件是金属氧化物物压敏电阻(MOV)瞬态电压抑制器.如图2一1中的RV 把压敏电阻RV连在交流电压的输入端,起到一个可变阻抗的作用.即,当高压尖峰瞬间出现在压敏电阻两端时,它的阻抗急剧减小到一个低消值,消除了尖峰电压使输入电压达到安全值.其瞬能量消耗在压敏电阻上,选择压敏电阻时应按下述步骤进行.(1)选择压敏电阻的电压额定值,应比最大的电路电压稳定值大10%~20%;(2)计算或估计出电路所要承受的最大瞬间能量的焦耳数.(3)查明器件所需要承受的最大尖峰电流开 关 电 源 的 设 计第三章 高频电源变换器的基本类型一. 高频电源变换器的基本类型高频电源变换器的基本类型有五种:单端反激式,单端正激式,推挽式.半桥式和全桥式变换器,而半桥式和全桥式变换器电路实际上是推挽式变换器电路的改进型,所以,有人把这三种电路形式统称为推挽式变换器.高频电源变换器从激励方式上可分为单端(单极性)激励和双极性激励变换器,双极性变换器包括推挽式,半桥式,桥式等,其工作原理的实质是两个单端正激式变换器电路,从其耦合方式可分为直接耦合和变压器隔离两种,其中直接耦合形式为其基本形式.近年来出现的新型的变换器为C U K 变换器.1.单端反激式变换器的模型图: (3一1)(a) (b) 3 一1单端反激式变换器模型图单端反激式变换器的工作原理为:1) 当开关s 闭合时,电流I 流过电感L,在L 中储存能量,由于电压的作用,使二极VD 处于反向偏置,因此,在负载电阻R L 上无电压;2) 当开关S 打开时(上b 图),电感上的感应电压极性相反,则二极管VD 处于正向偏置,并产生电流Iv,这样,在负载电阻R L 上就出现一个与输入电压极性相反的电压.由于开关S 不断地开关动作,电路中的电流就以及脉的形式出现,因此,在单端反激式变换器中,当开关闭合时,能量存储在电感L 中,在开关打开时,能量被传递到负载RL 上.3. 单端正激式变换器的电路模式图(3一2)单端正激式变换器的工作原理为:Vin Ic------------- 1) 当开关S 闭合时,电流I 流过电感L,系,二极管VD 处于反向偏置; 2) 当开关S 打开时,电感L 中的磁场极性发生变化,,b2单端正激式变换器模型图,无脉动现象,恰恰与其相反,输入电流则是不连续的,. 3.(3一3)推挽式变换器的工作原理为:1)当S 1闭合S 2打开时,电源电流流过方向为 a Lp 1 b s1 d V in,那幺此时,在变压器次级绕组中咸应出电压并形成感应电流Is 1.2)当S 2闭 合S 1打工时,电源电流方向为 a f e d vin,那幺此时在变压器次级绕组LS 2中感应出电压形成感应电流IS 2二. 隔离式单端反激式变换器电路.概述 :一般情况下,隔离式开关电源都是用高频变压器作为主要隔离器件.在单端反激式隔离L-------------电路中,高频变压器是以变压器的形成出现的,但实际上它起的作用是扼流圈,所以应称之为变压器 扼流圈.如图3一4中,由于隔离变压器T 除了具有初次级间安全隔离的作用外,它还有变压器和扼流圈的作用,所以在反激式变换器的输出部分一般不需要加电感,但在实际应用中,往往在整流器和滤波电容之间加一个小的电感线圈,用以降低高频开关噪声的峰值.单端隔离激式变换器的工作过程为:1) 当晶体管VT1导通时,它在变压器初 级电感线圈中储存能量,与变压器次 级相连的二极管VD 处于反偏压状 态而截止,故在变压器次级回路无电 流流过,即没有能量传给负截. 2) 当晶体管VT 1截止时,变压器次级电 感感线圈中的电压极性反转过来,使得二极管VD 导通,给输出电容C 充电,同时在负载L 年也有了电流I L 3 一4隔离单端反激式变换器电路注:图3一4中C 为输出滤波电容.1.单端反激式变换器电路中的开关晶体管在单端反激式变换器电路中,所使用的开关晶体管必须具备两个条件:1)在晶体管截止时,要能承受集电极尖峰电压; 2)在晶体管导通时,要能承受集电极的尖峰电流.1) 晶体管截止时尖峰电压的计算公式:V CE max =Vin / 1一δmax式中Vin 是输入电路整流滤波后的直流电压, δmax 是晶体管最大工作占空比(注意:为了限制限晶体管的集电板安全电压,工作占空比应保持在相对地低一些,一般要低于50%,δmax<0.5,在实际设计时, δmax 一般取0.4左右,这样就限制集电极峰值电压: V CE max ≦2.2Vin,因此,在单端反激式变换器电路设计中,晶体管的工作电压一般在800V 通常接900V 计算可安全可靠地工作.)2) 晶体管导通时的集电极电流计算式:I C = I L / n式中,I L 是变压器初级绕组的峰值电流,而n 是变压器初级与次级间的匝数比.注: 为了导出用变压器输出功率和输入电压表达集电极峰值工作电流的公式.变压器绕组传递的能量Pout =可用下式表示:Pout = L . I L 2 / 2T ·η (3 一 3 )式中,η是变换器的效率.则有: Ic= 2Pout / η·Vin ·δmax ( 3 一 4 )假定变器的效率η是0.8,最大占空比δmax=0.4(即40%),那幺Ic = 6. 2Pout / Vin ( 3 一 5 )2. 单端反激式变换电路中的变压器绕组.在单端反激式变换器电路中,在设计时要汪意不要使磁芯饱和,所选的磁芯一定要有足够大+ RL 一的有效体积,通常应用空气隙来扩大其有效体积:V=Uo ·Ue · I L max ·L / B 2max ( 3一6 )中,Ilmax: 最大负载电流;L :变压器次级绕组的电感量; Uo : 空气的导磁率,其值为1;Ue: 所选磁芯的磁性材料的相对导磁率Bmax:磁芯的最大磁通密度;(具体见第五章)3一53.基本的单端反激式变换器的变形.1)如图3一5中,由于考虑到单只晶体管有时承受不了过高的输入电压,(一般商甲晶体管达不到指针),故利用两只晶体管工作.图中VD 1和VD 2同时导通或截止,二管起箝位作用,它们把晶体管的最大集电板电压限制在Vin,这样耐压低的晶体管就可以使用了.2单端反激式变换器电路的优点是:电路结构简单,可以实现多路电压输出.如图3一6,在电路中隔离变压器对各路输出电压起到公共扼流圈的作用变压器的次级可以有多个绕组,故可以实现多路输出 .每个次级绕组只需一个整流二极管和一个滤波电容,就可以得到一组直流输出电压.3一6有多路输出的单端反激式变换器电路+ R L 一1 1 out 1 out2 + V out3 一 L L3一7隔离单端正激式变换器电路图三.隔离单端正激式变换器电路1.概述:如图3一7所示1)在单端正激式变换器电路中,隔离组件是一个纯粹的变压器,为了有效地传递能量,,在输出电路中, 必须有储能组件电感线圈Lo同时,初次级绕组的极性是相同的.其电路工作过程为:当VT1导通时,在变压器的初级产生了电流,并储存了能量,由于变压器的次级极性与初级同相,这个能量也传到了变压器的次级并处在偏正的二极管VD2把能量储存到了电感L中.此时,二极管VD3是处在反向偏压状态,为截止状态,当三极管VT1截止时,二极管VD2是反向偏压,变压器绕组中的电压反向,续流二级管VD3处于正向偏压,在输出回路中,储存在电感中的能量通过电感L 继续传负载R L .2)变压器的第三绕组称为箝位绕组(或回授绕组)LP2,它与二极管VD1串联,其作用是用来限制晶体管C一E结上的电压尖峰,在晶体管截止时,还能使高频变压器的磁通复位, 这是因为:A.在VT1导通时,变压器初级绕组LP 1中会储存能理,当VT1截止时,变压器次级侧二极管VD2截止,那幺储存在LP1中的能量再不能传递到次级绕组了,此时必须要通过一种途径释放出来,否则,必然在线圈两端产生过高的电压,解决的办法是增加箝位绕组和二极管VD1,并使箝位绕组的匝数与初级绕组的匝数相同,二者紧密耦合,这样,当箝位绕组上的感应电超过电源电压时,二极管VD1导通,将磁能送回电源中,就可以把初级绕组的电压限制在电源电压上,所以,开关晶体管VT1的C一E极间的最高电压就被限制在二倍电源电压上.B.为满足磁芯复位的条件,使磁通建立和复位的时间相等,所以这种把电路的占空比不能超过50%.3)磁化电流Imag的计算公司为:Ima= Tδmax·Vin∕N ( 3一7)式中, T·δmax是VT时向,L是输出电感Ho4))单端正激式变换器是在晶体管导通时通过变压向负载传输能量,故运用的输出功率范转较大,一般情况下可达50~200W,其高频变压器要起变压器隔离和传输能量的作用,又起电感线圈储存能量的作用.2单端正激式变换器电路中的开关晶体管1)晶体管截止峰值电压:在单端正激式变换器电路中,由于有第三绕组和续流二极管VD1的作用,所以其截止时降在VT1上的最大电压VCEmax应为2Vin,且只要二极管VD1处于导通状态,即在Tδmax这个时间内,降在VT铁C 一E间的2Vin的峰值电压就维持不变.2)晶体管导通时集电极电流的峰值:为正激式变换器的电流值加上磁化电流Imag.Ic= Ic / n + Tδmax Vin / L =6.2Pout / Uin式中.n: 变压器初次级匝数比;IL : 输出电感电流. A;Tδmax: 晶体管导通时间L: 输出电感, H.3.单端正激式变换器电路的传输变压器在设计正激式变换器的传输变压器时,应十分注意选择适当的磁芯有效体积,并选择空气隙,以避免磁芯的饱和,其有效体积V为:V= UoUe I2mag L / B2max注意:A.这种电源的最大工作占空比应保持低于50%,以便通过第三绕组将变压器的电压进行箝位,将总电限制在2倍输入电压之内.这样,当VT1导通时,为箝位电平:当VT停止时,使该总电压接近于0值.如果最大工作占空比大于50%,即δmax > 0.5,将打破这种2倍于电源电压的平衡,导致变压器发生饱和,反过来会产生很高的集电峰位电流,这可能会损坏开关晶体管.B.尽管有第三绕组以及箝位二极管可将开关晶体管的峰值集电极电压限制在2倍直流输入电压之内,但在制作变压器时,还要严格注意初级绕组和第三绕组间的紧密耦合,以消除由于漏感引起的致命的电压尖峰.4.单端正激式变换器电路的变形.1)如同单端反激式变换器电路一样,也可用两个晶体管代替一个晶体管工作,它们同时导通或同时截止,但每个晶体管所承受的电压不会高于Vin.2)此电路也可以产生多路的出电压,但是需增加二极管和扼流圈应指出的是,续流二极管的容量至少要与主回路中的整流二极管相同,因为在晶体管VT1截止时,它要提供输出电路中的全部电流.四. 推挽式变换器电路概述:如图3一8所示,推挽式变换器电路实际上是由两个正激式变换器电路组成,只是它们工作时相位相反,在每个周期里,,两个晶体管交替导通和截止,在各自导通的半个周期内,分别把能量传递给负载,所以称之为”推挽”电路.故在推挽式变换器电路中,两组开关三极管和输出整流二极管因流过每一组组件的平均电流比同等的单端正激式变换器电路减少35%以上,其设计计算可接单端正激式变换器.还应看到,在只开关晶体管导通间隙,二极管VD1和VD2同时导通,它们把高频变压器的次级给短路了,与此同时,把能量传递到了输出回路,实质上,它们起到了续流二极管的作用.推挽式变换器电路的输出电压可用下式计算:V out= 2δmax·Vin / n (3一10)注意:为了避免两只开关晶体管同时导通而引起损坏,公式中δmax的值必须得持在0.5以下.假定δmax=0.4则有:Vout = 0.8Vin / n (3一11 )式中n是高频变压器的初级对次级的匝数比.1)每只开关管的峰值集电极电流Ic=Ic / n (3一12)Ic = Pout / η. (3一13)设η=0.8 δmax=0.8则Ic= 1.6Pout / Vin (3一14)2)每只管所承受的峰值电压限制在2Vin以内.3.推挽式变换器电路中的高频变压器在推挽式变换器电路中,两只晶体管导通时间相等(或者说强制两管导通时间相等),高频变压器的。
7.1.8 ↨䗝㑻ϔ㠀⬉ 䕗催ˈ䇗 㑻 ↨ϡ 䲒DŽ㑻ϔ㠀 䕗 ˈ 乥⥛䍞催ˈ㑻 㛑 ϔ ˈ⫮㟇 Ѣϔ ˈ ˈ ↨䇃 ˈ 䍋Ⳍ 䯂乬DŽˊ ⱘ䕧 ⬉ ↨䕗Ԣ ˈ՟ 5Vˈ⫮㟇1V ˈ䰤 њ ↨ⱘ䗝 DŽ5V䕧 㑻 㛑 1 2 ˈ↣Ͼ㒓 䰊 1 2 DŽ䅵ㅫ㒧 1.5 ˈ 㛑䗝 2 ˈЎ ⱘ ↨ˈ 㒓 25ˁDŽⳌ ⱘ⺕㢃 に ˈ㽕 ⱘに Ё㒩ϡϟ 㒓 DŽ њ⬉⌕ ˈ њ㒓 㗫DŽ Пˈ䗝 1 ˈԚ⺕㢃Ёⱘ⺕䗮 1/3ˈ⺕㢃 㗫 㛑 ϔ DŽ㱑✊≵ 䗮⫼ⱘ 䗳ⱘ䗝 ↣Ͼ㒓 Ӭ ⱘ ⊩ˈԚ ϔ㠀㾘 DŽ佪 ˈ 乱 U i D 䖒 䕧 ⬉ ⱘ㒓 П䯈ⱘ⧚ ↨DŽ ⴔˈ 䗝 ⺕㢃 ˈ∖ ↨ ˈԚϡ 䰙䳔㽕ⱘ DŽ 㹋 ⧚ˈ䆩䆩 Ͼ 㛑DŽҢ Ԣ⬉ 㑻 ˈ Ў ⱘ ⱒ ↨ DŽ⡍ Ԣ䕧 ⬉ ⱘ㑻䕧 䋳䕑 ⥛ˈ㗠Џ 䏃䇗㡖ⱘг Ԣ 䕧 ˈ Ԣ⬉ 㑻 Ϟ ϟ䰡 Ͼ㒓 DŽ ϟ䰡 ⺕㢃 㗫ˈϞ 㒓 㗫DŽ ⱘ 㗫 ˈ 乏䞡 䗝 ⺕㢃ˈҹ ҙ䳔㽕 䇗 DŽԢ 㑻 ↨䗝 䲒DŽ՟ 12V 5V㑻 ↨ 2.5:1ˈ 5Vⱘ㑻2 ˈ12VЎ5 DŽԚ 5V㑻ҙ1 ˈ䙷М12V㑻ҙ 䗝3 ˈ䖭ḋՓ䪰 㗫 DŽ䖭Ͼ䯂乬 䗮䖛 ↨㾷 DŽ䕗催⬉ 㑻 䲒䕗 DŽԚϔ㠀 ⦃ˈ⬉ ㊒ 䋳䕑 Փ〇 㛑 ˈ䗮 䳔㽕ϔϾ 㒻㒓 ⱘ 䇗㡖 DŽ ⫼䕗 ⱘ ⺕䇗㡖 DŽ⦄ҷ䲚 ⬉䏃կ⬉⬉ 䍞 䍞Ԣˈ՟ 1.2~1.8Vˈ 乥⥛ 100kHzҹϞ ˈ䅵ㅫ ⱘ ⱘ ˈ՟ 1 ˈ Ѣ1 ˈ㗠Ϩ ϡ DŽ ˈՓ ԧ⿃ 㗫 ˗ℸ ˈ 䏃䕧 ˈ ϔ䏃䯁⦃䇗㡖ˈ㗠 䏃䳔㽕䕗㊒⹂ⱘ ↨㦋 ⒵ ⱘ䕧 ⬉ ㊒ DŽ ˈ⬉ 䇃 ˈ䳔㽕 㑻㒓 〇 䇗㡖˄ ⺕䇗㡖 ˅ˈ 䖭ѯ 䞛⫼ ˈ ԧ⿃ 㗫DŽԚ ˈ ⧚ϡ ˈ ⱘ ⓣ DŽ䖭䞠ҟ㒡ϔ㠀 ⧚ ⊩DŽ˄1˅ ⧚㒓 Ϟ⬉ ЎUˈ Ё Ϟ㒩N 㒓 ˈḍ ⬉⺕ ↣ ⱘ⺕䗮 䞣'BA T U Neon(7-2)ЁT onˉU 㒓 Ϟⱘ 䯈(s)˗A eˉ⺕㢃Ё 䴶⿃(m2)˗Bˉ T on 䯈⺕㢃Ё⺕䗮 䞣˄T˅DŽE ⺕㢃ˈϸϾ䖍 䴶⿃Ⳍㄝˈ ㄝѢЁ 䴶⿃ⱘϔ DŽϔϾ㒓 ˄ 7-1˅ 㒩E ⺕㢃䖍 ˄ 1(a)ЁA˅ˈ 㒩Ё 䖬 㒩ϔϾ䖍 ˄ 1(a)ЁB˅˗ ⫼ĀXā⺕㢃ˈ㒓 ⱘ 䯈 㒓( 1(b)ЁAǃBǃC)ˈ㒓 㒩䖍 ⱘϡ ˈ 䗴 ϡ ⱘ DŽ՟ 7-1(a)㒓 Aˈ 㒩䖍 ⱘ㒓 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