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第三章 开关电源中磁性器件设计 §3.3 功率变压器的设计 (1)什么是集肤效应？ 3 磁芯结构的选择 ① 漏感要小 ② 便于绕制、维护和生产 ③ 有利于散热 4 工作磁感应强度的选取 * 考虑： 可选取较小的磁感应强度或设法减小合闸启动瞬间的磁感应强度，可采取以下措施： ② 要保证在规定的环境温度、输入电压和输出负载范围内变压器不饱和。 * 考虑： * 选择不当：容易在合闸启动瞬间发生饱和、损坏功率管 * 如何防止 ① 小型化、低损耗 当交变电流通过导体时，会产生集肤效应，表现为导体中电流密度由导体表面向中心越来越小，分布不均匀，愈近导体表面电流密度越大。这种现象称为“集肤效应”，亦称“趋肤效应”。 5 集肤效应 (2)衡量标准 * 是用穿透深度来表征的，用△表示。 * 定义为电流密度下降为表面电流密度的1/e处的深度。 ① 降压启动 ② 窄脉冲启动 ③ 选取工作磁感应强度 ，以增加体积为代价。 式中， △—穿透深度，单位为mm。 km —与温度等有关的常数，例如铜：100℃时， km=75，20℃时， km=65.5。 f —频率，单位Hz。 K —材料常数。 * （3）产生的影响 * 使导线有效导电面积减小，电流密度有所提高，引起铜耗增加，效率下降。 * 导体中的交流电阻比直流电阻要大。 * 因此工作于高频的变压器就需考虑这一影响，当绕组中电流的频率增高到高频段时，由于集肤效应的影响，绕组电阻增大，导致绕组损耗增加。交变频率越高，电阻的增大也越多。 （4）减小集肤效应影响的方法 * 在选用绕组导线线径时，应遵循小于两倍穿透深度； * 当导线要求的截面大于由穿透深度决定的最大有效直径时，应采用小直径的多股导线并绕； * 副边大电流绕组最好能采用宽而扁的铜带，宽度和变压器磁芯窗口的高度接近，厚度则以穿透深度的两倍来限制。 6 设计时应注意的问题 （1）传输功率要有一定裕量； （2）当输入电压和占空比最大时，磁芯应不饱和； （3）遵循变压器铜损与磁芯的铁损相等的设计原则； （4）原边电感量 * 正激式拓扑中，原边电感量必须尽量大； * 反激式拓扑中，原边电感量符合为获得所需功率而规定的数值。 二 功率变压器磁心尺寸计算 1 双端工作的方波变压器 原边电压有效值 副边电压有效值 原边电流有效值 副边电流有效值 N1、 N2为变压器原副边绕组匝数，Ae为铁心截面积， Ke为铁心截面积有效系数，AW为铁心窗口面积， KW为铁心窗口利用系数， J为导线电流密度 。 由以上公式可推出 K 波形系数 ，方波取4。 方波有两种，有死区和无死区。 设变压器输出功率为P0，输入功率为P1，效率为η * 无死区方波有效值和幅值相等 * 有死区方波有效值和幅值不相等 2 单端正激工作的方波变压器 * 磁芯只工作在第一象限 * 单端工作时，磁芯利用率低。 3 其他表达形式 （1）如果Ae、Aw用cm2表示，电流密度用A/cm2表示，则公式右边都要乘以104。 （2）如果把电流密度换算成电流密度比例系数KJ，则有： 其中X为常数，由磁芯给出，一般取： 这样，可导出以下公式： 无死区 单端正激 有死区 （3）以上所有公式属于面积乘积法，即AP法。 （4）另外，还有几何参数法。 三 功率变压器设计步骤 1、确定拓扑结构，工作频率 2、确定变比n 原则∶保证在最低输入电压时，能输出所要求的最高电压，此时变换器工作在最大占空比。 原边最低输入电压决定了副边的最低输出电压 式中：UF 输出整流二极管的压降， UX 输出绕组内阻上的压降。 3、确定铁芯材料，最大磁感应强度 * 根据开关频率和电源容量可决定铁芯的材料和形状，并可进一步确定铁芯截面有效系数。 4、确定导线电流密度J * 最大磁感应强度的确定要考虑以下因素： A 拓扑形式 B 开关频率 C 散热条件 D 最大允许温升 E 功耗 * 工频变压器 * 高频变压器 自然冷却 风冷 5、确定窗口利用系数 * 确定电流密度时要考虑以下因素： A 开关频率 B 集肤效应 C 散热条件 D 最大允许温升 * 选大了，绕组可能绕不下； * 选小了，铁芯利用率降低了。 * 确定窗口利用系数时要考虑铁芯的形状、尺寸、绕组的组成、开关频率、绕制工艺，一般可取 * 对于小功率变压