關(guān)電源變壓器的計算 - 開關(guān)電源功率變壓器特性、參數(shù)、要求和材料選擇以及設(shè)計方法

設(shè)計前應(yīng)確定下列基本條件：電路形式,開關(guān)工作頻率,變壓器輸入電壓幅值,開關(guān)功率管最大導(dǎo)通時間,變壓器輸出電壓電流,輸出側(cè)整流電路形式，對漏感及分布電容的要求，工作環(huán)境條件等。

（1）確定磁心尺寸

1）求變壓器計算功率Pt

Pt的大小取決于變壓器輸出功率及輸出側(cè)整流電路形式：

全橋電路，橋式整流：Pt=(1＋1/n)Po 　　半橋電路，雙半波整流：Pt=(1/n＋)Po 　　推挽電路，雙半波整流：Pt=(/n＋)Po式中：Po=UoIo，直流輸出功率。Pt可在（2～2.8）Po范圍內(nèi)變化，Po及Pt均以瓦（W）為單位。n=N1/N2,變壓匝數(shù)比。

2）確定磁通密度Bm

Bm與磁心的材料、結(jié)構(gòu)形式及工作頻率等因素有關(guān)，又要考慮溫升及磁心不飽和等要求。對于鐵氧體磁心多采用0.3T（特斯拉）左右。

3）計算磁心面積乘積Sp

Sp等于磁心截面積Sc（cm2）及窗口截面積So（cm2）的乘積，即

Sp=ScSo=[(Pt×104)/4BmfKwKj]1.16(cm4)

式中：Kw——窗口占空系數(shù)，與導(dǎo)線粗細、繞制工藝及漏感和分布電容的要求等有關(guān)。一般低壓電源變壓器取Kw=0.2～0.4。

Kj——電流密度系數(shù)，與鐵心形式、溫升要求等有關(guān)。對于常用的E型磁心，當溫升要求為25℃時，Kj=366；要求50℃時，Kj=534。環(huán)型磁心，當溫升要求為25℃時，Kj=250;要求50℃時，Kj=365。

由Sp值選擇適用于或接近于Sp的磁性材料、結(jié)構(gòu)形式和磁心規(guī)格。

（2）計算繞組匝數(shù)

1）一次繞組匝數(shù)：N1=(Up1ton×10－2)/2BmSc(匝)

式中：Up1——一次繞組輸入電壓幅值（V）

ton——一次繞組輸入電壓脈沖寬度（μs）

2）二次繞組匝數(shù)：N2=(Up2N1）/Up1（匝）

Ni=(UpiN1）/Up1(匝)

式中：Up2…Upi——二次繞組輸出電壓幅值（V）

（3）選擇繞組導(dǎo)線

導(dǎo)線截面積Smi=Ii/j(mm2)

式中：Ii——各繞組電流有效值（A）

j——電流密度

j=KjSp－0.14×10－2(A/mm2)

（4）損耗計算

1）繞組銅損Pmi=Ii2Rai(W)

式中：Rai——各繞組交流電阻（Ω），

Ra=KrRd，Rd——導(dǎo)線直流電阻，Kr——趨表系數(shù),Kr=(D/2)2/(D－△) △,D——圓導(dǎo)線直徑（mm），△——穿透深度（mm），圓銅導(dǎo)線△=66.1/f0.5（f：電流頻率，Hz）變壓器為多繞組時，總銅損為Pm=Ii2Rai(W)

2）磁心損耗Pc=PcoGc

式中：Pco——在工作頻率及工作磁通密度情況下單位質(zhì)量的磁心損耗（W/kg）

Gc——磁心質(zhì)量（kg）

3）變壓器總損耗Pz=Pm＋Pc（W）

（5）溫升計算

變壓器由于損耗轉(zhuǎn)變成熱量，使變壓器溫度上升，其溫升數(shù)值與變壓器表面積ST有關(guān) ST=

式中：Sp——磁心面積乘積（cm4）

KS——表面積系數(shù)，E型磁心KS=41.3，環(huán)型磁心KS=50.9

5.2、單極性開關(guān)電源變壓器的計算

設(shè)計前應(yīng)確定下列基本條件：電路形式，工作頻率，變換器輸入最高和最低電壓，輸出電壓電流，開關(guān)管最大導(dǎo)通時間，對漏感及分布電容的要求，工作環(huán)境條件等。

（1）單端反激式計算

1）變壓器輸入輸出電壓一次繞組輸入電壓幅值UP1=Ui－△U1

式中：Ui——變換器輸入直流電壓（V）

△U1——開關(guān)管及線路壓降（V）二次繞組輸出電壓幅值UP2=U02＋△U2

UPi=U0i＋△Ui

式中：U02…U0i——直流輸出電壓（V）△U2…△Ui——整流管及線路壓降（V）

2）一次繞組電感 臨界值(H)

式中：n——變壓器匝數(shù)比n=tonUp1/toffUp2

ton——額定輸入電壓時開關(guān)管導(dǎo)通時間（μs）

toff——開關(guān)管截止時間（μs）

T——開關(guān)電源工作周期（μs），T=1/f，f：工作頻率（Hz）

Po——變壓器輸出直流功率（W）通常要求一次繞組實際電感Lp1≥Lmin

3)確定工作磁通密度

單端反激式變壓器工作在單向脈沖狀態(tài)，一般取飽和磁通密度值（Bs）的一半，即脈沖磁通密度增量△Bm=BS/2(T)

4）計算磁心面積乘積

Sp=392Lp1Ip1D12/△Bm(cm4)

式中：Ip1——一次繞組峰值電流Ip1=2Po/Up1minDmax(A)

式中：Up1min——變壓器輸入最低電壓幅值（V）Dmax——最大占空比，Dmax=tonmax/TD1——一次繞組導(dǎo)線直徑（mm），由一次

繞組電流有效值I1確定，單向脈沖時I1=Ip1（ton/T）0.5

5）空氣隙長度

lg=0.4πLp1Ip12/△Bm2SC(cm)

6）繞組匝數(shù)計算

一次繞組，有氣隙時

N1=△Bmlg×104/0.4πIp1(匝) 無氣隙時(匝)

式中：LC——磁心磁路長度（cm）

μe——磁心有效磁導(dǎo)率，由工作的磁通密度和直流磁場強度及磁性材料決定，查閱磁心規(guī)格得出。

二次繞組N2=[Up2(1－Dmax)/Up1minDmax]N1

Ni=[Upi(1－Dmax)/UpiminDmax]N1

（2）單端正激式計算

單端正激式電路工作的特點是一、二次繞組同時工作，另加去磁繞組，因此計算方法與雙極性電路類似。

1）二次繞組峰值電流等于直流輸出電流，即IP2=I02

2）二次繞組電壓幅值

開關(guān)電源功率變壓器的設(shè)計方法

Up2=(Uo2＋△U2)/D(V)

式中：Uo2——輸出直流電壓（V）

△U2——整流管及線路壓降（V）

D——額定工作狀態(tài)時的占空比D=ton/T

3）變壓器輸出功率

P2=(DUp2Ip2)(W)

式中：Up2——變壓器輸出電壓幅值（V）

Ip2——二次繞組峰值電流（A）

4）確定磁心體積

Ve=(12.5βP2×103)/f(cm3)

式中：β——計算系數(shù)，工作頻率f=30～50kHz時，β=0.3

由Ve值選擇接近尺寸的磁心。

5）一次繞組匝數(shù)

N1=(Up1ton×10－2)/f(匝)

式中：Up1——變壓器輸入額定電壓幅值（V）

6）二次繞組匝數(shù)N2=(Up2/Up1)N1

Ni=UpiN1/Up1

7）去磁繞組匝數(shù)NH=N1

8）繞組電流有效值 二次側(cè)：I2=Ip2

一次側(cè)：I1=Up2I2/Up1

去磁：IH=(5～10)％I1

上述僅是常規(guī)計算方法，由于所選用材料及工藝的不同，有些數(shù)據(jù)應(yīng)做相應(yīng)的調(diào)整。

還應(yīng)做漏感、分布電容、溫升及窗口校核等計算，這些計算較繁瑣，經(jīng)驗性較強，必要時請閱專著。