第17课_半桥式变压器的设计.ppt

半桥式电源电路框图 半桥式变换器概述 在传统的高频变压器设计中，由于磁心材料的限制，其工作频率较低，一般在20kHz左右。随着电源技术的不断发展，电源系统的小型化，高频化和高功率比已成为一个永恒的研究方向和发展趋势。因此，研究使用频率更高的电源变压器是降低电源系统体积，提高电源输出功率比的关键因素。这里根据超微晶合金的优异电磁性能，设计30kHz超微晶高频开关电源变压器。 半桥式开关电源变换器 变压器设计的已知条件： 1）工作频率f：30kHz ； 2）变换器输入电压Ui：DC300V ； 3）变换器输出电压U0：DC2100V ； 4）变换器输出电流Io：0.08A ； 5）整流电路：桥式整流 ； 6）占空比Dmax：1％～90％ ； 7）输出效率η：≥80％ ； 8）耐压：DC12kV ； 9）温升：＋50℃； 10）工作环境条件：－55℃～＋85℃ 。 磁心的选择与工作点确定 从变压器的性能指标要求可知，传统的薄带硅钢、铁氧体材料已很难满足变压器在频率、使用环境方面的设计要求。磁心的材料只有从坡莫合金、钴基非晶态合金和超微晶合金三种材料中来考虑，但坡莫合金、钴基非晶态价格高，约为超微晶合金的数倍，而饱和磁感应强度Bsat却为超微晶合金2/3左右，且加工工艺复杂。因此，综合三种材料的性能比较，见下表，选择饱和磁感应强度Bsst高，温度稳定性好，价格低廉，加工方便的超微晶合金有利于变压器技术指标的实现。 磁性材料性能表 磁性材料的性能 磁心工作点的选择往往从磁心的材料，变压器的工作状态，工作频率，输出功率，绝缘耐压等因素来考虑。超微晶合金的饱和磁感应强度Bsat较高约为1.2T，在双极性开关电源变压器的设计中，磁心的最大工作磁感应强度Bmax一般可取到0.6～0.7T，经特别处理的磁心，Bmax可达到0.9T。在本设计中，由于工作频率、绝缘耐压、使用环境的原因，把最大工作磁感应强度Bmax定在0.6T，而磁心结构则定为不切口的矩形磁心。这种结构的磁心与环形磁心相比具有线圈绕制方便、分布参数影响小、磁心窗口利用率高、散热性好、系统绝缘可靠、但电磁兼容性较差。 变压器主要参数的计算 变压器的计算功率?： 半桥式变换器的输出电路为桥式整流时，其开关电源变压器的计算功率为：?Pt=Uo×Io(1＋1/η) (1)?将Uo=2100V，Io=0.08A，η=80％ 代入式（1）， 可得： Pt=378W。? 变压器的设计输出能力 变压器的设计输出能力为：?Ap= 1.16 ×(Pt×104/4×Bmax×f×KW×KJ) （2）? 式中的： 工作频率f为：30kHz； 工作磁感应强度Bmax：取0.6T； 磁心的窗口占空系数KW：取0.2； 矩形磁心的电流密度（温升为50℃）KJ：取468。 经计算，变压器的设计输出能力：AP=0.511cm4。 变压器的实际输出能力 变压器的输出能力即磁心的输出能力： 它取决于磁心面积的乘积（AP），其值等于磁心有效截面积（Ae）和它的窗口截面积（Ac）的乘积，即： AP=Ae×Ac (3) 在变压器的设计中，变压器的输出能力必须大于它的设计输出能力。在设计中，我们选用的矩形磁心的尺寸为： 10×10×39×13.4 （即：a=10mm，b=10mm，c=13.4mm，h=39mm），实际AP达3.66cm4(其中磁心截面积的占空系数KC取0.7)，大于变压器的设计输出能力0.511cm4，因此，该磁心能够满足设计使用要求。 变压器绕组计算 初级匝数： Dmax取50％，Ton=D/f=0.5/(30×103)=16.67μs,?忽略开关管压降，Up1=Ui/2=150V。?N1=Up1×Ton×10-2/2×Bm×Ac=(150×16.67) ×10-2/(2×0.6×1×1×0.7) = 29.77 （匝）? 取N1=30匝? 次级匝数： 忽略整流管压降，Up2 = Uo = 2100V。?N2=Up2×N1/Up1=(30×2100)/150= 420 （匝） 变压器线径计算 Ip1=Up2×Ip2/Up1=0.08×2100/150=1.12A?电流密度：J=Kj×Ap－0.1410-2=468×0.511－0.14?×10-2=5.14A/mm2?考虑到线包损耗与温升，把电流密度定为4A/mm2? （1）初级绕组：?计算导线截面积为Sm1=Ip1/J=1.12/4=0.2