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大功率变压器

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品 牌: 黑龙江民意电力变压器制造有限公司
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最后更新: 2017-06-13 08:33

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     实例讲解电源高频变压器的设计方法,大功率变压器找我们, 设计高频变压器是电源设计过程中的难点,下面以反馈式电流不连续电源高频变压器为例,向大家介绍一种电源高频变压器的设计方法。

      设计目标:电源输入交流电压在180V~260V之间,频率为50Hz,输出电压为直流5V、14A,功率为70W,电源工作频率为30KHz。
    设计步骤:
    1、计算高频变压器初级峰值电流Ipp
      由于是电流不连续性电源,当功率管导通时,电流会达到峰值,此值等于功率管的峰值电流。由电感的电流和电压关系V=L*di/dt可知:
      输入电压:Vin(min)=Lp*Ipp/Tc
    取1/Tc=f/Dmax,则上式为:     
    Vin(min)=Lp*Ipp*f/Dmax
    其中:   V in : 直流输入电压,V   
    Lp  : 高频变压器初级电感值,mH
    Ipp : 变压器初级峰值电流,A
    Dmax: 最大工作周期系数
    f  : 电源工作频率,kHz
      在电流不连续电源中,输出功率等于在工作频率下的每个周期内储存的能量,其为:
                      Pout=1/2*Lp*Ipp2*f
    将其与电感电压相除可得:
            Pout/Vin(min)=Lp*Ipp2*f*Dmax/(2*Lp*Ipp*f)        
    由此可得:
                 Ipp=Ic=2*Pout/(Vin(min)*Dmax)
    其中:Vin(min)=1.4*Vacin(min)-20V(直流涟波及二极管压降)=232V,取最大工作周期系数Dmax=0.45。则:
    Ipp=Ic=2*Pout/(Vin(min)*Dmax)=2*70/(232*0.45)=1.34A
    当功率管导通时,集极要能承受此电流。
    2、求最小工作周期系数Dmin
    在反馈式电流不连续电源中,工作周期系数的大小由输入电压决定。
    Dmin=Dmax/[(1-Dmax)*k+Dmax]
    其中:k=Vin(max)/Vin(min)
    Vin(max)=260V*1.4-0V(直流涟波)=364V,若允许10%误差,Vin(max)=400V。
    Vin(min)=232V,若允许7%误差,Vin(min)=216V。
    由此可得:
                k=Vin(max)/Vin(min)=400/216=1.85
    Dmin=Dmax/[(1-Dmax)*k+Dmax]=0.45/[(1-0.45)*1.85+0.45]=0.31
      因此,当电源的输入直流电压在216V~400V之间时,工作周期系数D介于0.31~0.45之间。
    3、计算高频变压器的初级电感值Lp
    Lp=Vin(min)*Dmax/(Ipp*f)=216*0.45/(1.34*30*103)=2.4mH
    4、计算出绕组面积Aw和铁心有效面积Ae的乘积Aw*Ae,选择铁心尺寸。
    如果我们只绕初级于线架上,则:
    Aw*Ae=(6.33*Lp*Ipp*d2)*108/Bmax
    其中:d为绝缘线的直径,Bmax选择为Bsat/2。 

    在反馈式变压器中,如果初级占30%的绕组面积,则其余的70%为次级和绝缘空间,因此,Aw*Ae须再乘以3倍,为了安全起见,我们将其提高为4倍。因此,             Aw*Ae=4*(6.33*Lp*Ipp*d2)*108/Bmax
    此式只是估算,最后铁心和线架的选择是可以改变的。
    假设选择绕组绕线的电流密度为400c.m/A,则400c.m/A*1.34A=536(c.m),我们参考美国线规(AWG),取NO.22AWG导线,其值为0.028IN。我们选择TDK H7C1材料的E-E型铁心,它在100℃时,Bsat=3900G,Bmax=Bsat/2=1950G,可得:
    Aw*Ae=4*(6.33*Lp*Ipp*d2)*108/Bmax
    =4*(6.33*2.4*103*1.34*0.0282)*108/1950
    =3.27cm4
    由TDK目录中可查得EE42*42*15的铁心和线架Aw*Ae=1.83cm2*1.83cm2=3.33cm4,因此,我们选用此铁心。
    5、计算空气间隙长度Lg
    在反馈式电源变压器中,磁通只在第一象限中变化,电流磁通量不会出现负值。为防止变压器饱和,可以采用大体积铁心或在磁通路径上使用空气间隙,为减少电源体积,我们采用间隙法,使磁滞回路变的平坦,在相同的直流偏压下可降低工作的磁通密度。
    在磁通路径上,空气间隙会产生较大的磁阻,因此,变压器所存储的大部分能量是在空气间隙中,空气间隙体积为Vg,长度为Lg。由,
    1/2*Lp*Ipp2=1/2*Bmax*H*Vg*108
    Vg=Ae*Lg
                    u0H=Bmax/(0.4*π)
    u0 :空气磁导率=1
    可得:
    Lg=0.4*π*Lp*Ipp2*108/(Bmax2*Ae)=0.4*π*2.4*10-3*1.342*108/(19502*1.82)=0.078cm
    因此,我们在E-E铁心中心柱分割0.078cm的间隙。
    6、计算变压器初级线圈Np
    Np=Lp*Ipp*108/(Ae*Bmax)=2.4*10-3*1.34*108/(1.82*1950)=90(T)
    7、计算变压器次级线圈Ns
      在输入电压最小、工作周期最大时,计算变压器次级线圈Ns。
    Vout+Vd=Vin(min)*Dmax/(1-Dmax)*Ns/Np    (Vd是整流管压降)
    Ns=Np*(Vp+Vd)*(1-Dmax)/(Vin(min)*Dmax)
    =90*(5+1)*(1-0.45)/(232*0.45)
    =2.84(T)
    取整数为3圈。
    电源输入电流为14A,400c.m/A*14A=5600(c.m),考虑到集肤效应和生产作业方便,我们采用1400c.m,4条线并联联使用,AWG NO:18即可。
    高频变压器的设计方法很多,希望此例对大家有所帮助。

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