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開關電源之正激式開關電源變壓器參數的計算

鉅大LARGE  |  點擊量:2665次  |  2020年05月19日  

正激式開關電源變壓器參數的計算


正激式開關電源變壓器參數的計算重要從這幾個方面來考慮。一個是變壓器初級線圈的匝數和伏秒容量,伏秒容量越大變壓器的勵磁電流就越小;另一個是變壓器初、次級線圈的匝數比,以及變壓器各個繞組的額定輸入或輸出電流或功率。有關開關電源變壓器的工作原理以及參數設計后面還要更詳細分析,這里只做比較簡單的介紹。


正激式開關電源變壓器初級線圈匝數的計算


圖1中,當輸入電壓Ui加于開關電源變壓器初級線圈的兩端,且變壓器的所有次級線圈均開路時,流過變壓器的電流只有勵磁電流,變壓器鐵心中的磁通量全部都是由勵磁電流出現的。當控制開關接通以后,勵磁電流就會隨時間新增而新增,變壓器鐵心中的磁通量也隨時間新增而新增。根據電磁感應定理:


e1=L1di/dt=N1dф/dt=Ui——K接通期間(1-92)


式中E1為變壓器初級線圈出現的電動勢,L1為變壓器初級線圈的電感量,ф為變壓器鐵心中的磁通量,Ui為變壓器初級線圈的輸入電壓。其中磁通量ф還可以表示為:


ф=S×B(1-93)


上式中,S為變壓器鐵心的導磁面積(單位:平方厘米),B為磁感應強度,也稱磁感應密度(單位:高斯),即:單位面積的磁通量。


把(1-93)式代入(1-92)式并進行積分:


(1-95)式就是計算單激式開關電源變壓器初級線圈N1繞組匝數的公式。式中,N1為變壓器初級線圈N1繞組的最少匝數,S為變壓器鐵心的導磁面積(單位:平方厘米),Bm為變壓器鐵心的最大磁感應強度(單位:高斯),Br為變壓器鐵心的剩余磁感應強度(單位:高斯),Br一般簡稱剩磁,τ=Ton,為控制開關的接通時間,簡稱脈沖寬度,或電源開關管導通時間的寬度(單位:秒),一般τ取值時要預留20%以上的余量,Ui為工電壓,單位為伏。式中的指數是統一單位用的,選用不同單位,指數的值也不相同,這里選用CGS單位制,即:長度為厘米(cm),磁感應強度為高斯(Gs),磁通單位為麥克斯韋(Mx)。


(1-95)式中,Ui×τ就是變壓器的伏秒容量,即:伏秒容量等于輸入脈沖電壓幅度與脈沖寬度的乘積,這里我們把伏秒容量用US來表示。伏秒容量US表示:一個變壓器能夠承受多高的輸入電壓和多長時間的沖擊。在一定的變壓器伏秒容量條件下,輸入電壓越高,變壓器能夠承受沖擊的時間就越短,反之,輸入電壓越低,變壓器能夠承受沖擊的時間就越長;而在一定的工作電壓條件下,變壓器的伏秒容量越大,變壓器的鐵心中的磁感應強度就越低,變壓器鐵心就更不容易飽和。變壓器的伏秒容量與變壓器的體積以及功率無關,而只與磁通的變化量有關。


必須指出Bm和Br都不是一個常量,當流過變壓器初級線圈的電流很小時,Bm是隨著電流增大而增大的,但當電流再繼續增大時,Bm將不能繼續增大,這種現象稱磁飽和。變壓器要防止工作在磁飽和狀態。為了防止脈沖變壓器飽和,一般開關變壓器都在磁回路中留一定的氣隙。由于空氣的導磁率與鐵心的導磁率相差成千上萬倍,因此,只要在磁回路中留百分之一或幾百分之一的氣隙長度,其磁阻或者磁動勢將大部分都落在氣隙上,因此磁心也就很難飽和。


在沒有留氣隙的變壓器鐵心中的Bm和Br的值一般都很高,但兩者之間的差值卻很小;留有氣隙的變壓器鐵心,Bm和Br的值一般都要降低,但兩者之間的差值卻可以增大,氣隙留得越大,兩者之間的差值就越大,一般Bm可取1000~4000高斯,Br可取500~1000。順便指出,變壓器鐵心的氣隙留得過大,變壓器初、次級線圈之間的耦合系數會降低,從而使變壓器初、次級線圈的漏感增大,降低工作效率,并且還容易出現反電動勢把電源開關管擊穿。


還有一些高導磁率、高磁通密度磁材料(如坡莫合金),這種變壓器鐵心的導磁率和Bm值都可達10000高斯以上,但這些高導磁率、高磁通密度磁材料一般只用于雙激式開關電源變壓器中。


在(1-95)式中雖然沒有看到變壓器初級線圈電感這個變量,但從(1-92)式可以求得:


L1=N1dф/dt(1-96)


上式表示,變壓器初級線圈的電感量等于穿過變壓器初級線圈的總磁通,與流過變壓器初級線圈勵磁電流之比,另外,由于線圈之間有互感用途,即勵磁電流出了受輸入電壓的用途外,同時也受線圈電感量的影響,因此,變壓器線圈的電感量與變壓器線圈的匝數的平方成正比。從(1-95)式和(1-96)式可以看出,變壓器初級線圈的匝數越多,伏秒容量和初級線圈的電感量也越大。因此,關于正激式開關電源變壓器來說,假如不考慮變壓器初級線圈本身的電阻損耗,變壓器初級線圈的匝數是越多越好,電感量也是越大越好。但在進行變壓器設計的時候,還要對成本以及銅阻損耗等因素一起進行考慮。


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