反激变压器设计.pdf

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1、 变压：变压，气压随时间变化的量称为气压变量的简称。气压变化的空间分布即谓变压场。Change to press 前后两特定时间的气压变化，如后一时刻的气压值减前一时刻的气压数值的差值，大于零时叫正变压，小于零时叫负变压，有 3,6和 24 小时变压等多种.常用天气分析预报时参考。另外，在电工学的术语中，也存在电力变压。电站将发电机输出的低压电经过高压输电网络升高至数十千伏至数百千伏特的高压进行远距离输电。我们把这种电压的高低转换称其为变压。变压器：变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯。主要功能有：电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压等。反激式

2、变压器：反激式(Flyback)变压器又称单端反激式或Buck-Boost转换器。因其输出端在原边绕组断开电源时获得能量故而得名。优缺点：优点 反激式变压器的优点有:1.电路简单,能高效提供多路直流输出,因此适合多组输出要求.2.转换效率高,损失小.3.变压器匝数比值较小.4.输入电压在很大的范围内波动时,仍可有较稳定的输出,目前已可实现交流输入在 85265V 间.无需切换而达到稳定输出的要求.缺点 反激式变压器的缺点有:1.输出电压中存在较大的纹波,负载调整精度不高,因此输出功率受到限制,通常应用于 150W 以下.2.转换变压器在电流连续(CCM)模式下工作时,有较大的直流分量,易导致磁

3、芯饱和,所以必须在磁路中加入气隙,从而造成变压器体积变大.3.变压器有直流电流成份,且同时会工作于 CCM/DCM 两种模式,故变压器在设计时较困难,反复调整次数较顺向式多,迭代过程较复杂.基本原理：当开关晶体管Tr ton时,变压器初级Np有电流 Ip,并将能量储存于其中(E=Lp*Ip2/2).由于 Np 与 Ns 极性相反,此时二极管 D 反向偏压而截止,无能量传送到负载.当开关 Tr off 时,由楞次定律:(e=-N/T)可知,变压器原边绕组将产生一反向电势,此时二极管 D 正向导通,负载有电流 IL 流通.反激式转换器之稳态波形 导通时间 ton 的大小将决定 Ip、Vce 的幅值

4、:Vce max=VIN/(1-Dmax)VIN:输入直流电压;Dmax:最大工作周期 Dmax=ton/T 由此可知,想要得到低的集电极电压,必须保持低的Dmax,也就是Dmax 求 core AP 以确定 size AP=AW*Ae=(Pt*104)/(2B*fs*J*Ku)=(60/0.83+60)*104/(2*0.2*70*103*400*0.2)=0.59cm4 式中 Pt=Po/+Po 传递功率;J:电流密度 A/cm2(300500);Ku:绕组系数 0.2 0.5.2 形状及规格确定.形状由外部尺寸,可配合 BOBBIN,EMI 要求等决定,规格可参考AP 值及形状要求而决定

5、,结合上述原则,查阅 TDK 之 DATA BOOK,可知RM10,LP32/13,EPC30均可满足上述要求,但RM10和EPC30可用绕线容积均小于 LP32/13,在此选用 LP32/13 PC44,其参数如下:Ae=70.3 mm2 Aw=125.3mm2 AL=263025%le=64.0mm AP=0.88 cm4 Ve=4498mm3 Pt=164W(forward)Step3 估算临界电流 IOB(DCM/CCM BOUNDARY)本例以 IL 达 80%Iomax 时为临界点设计变压器.即:IOB=80%*Io(max)=0.8*3.16=2.528 A Step4 求匝数比

6、 n n=VIN(min)/(Vo+Vf)*Dmax/(1-Dmax)VIN(min)=90*2-20=107V=107/(19+0.6)*0.5/(1-0.5)=5.5 6 匝比 n 可取 5 或 6,在此取 6 以降低铁损,但铜损将有所增加.CHECK Dmax:Dmax=n(Vo+Vf)/VINmin+n(Vo+Vf)=6*(19+0.6)/107+6*(19+0.6)=0.52 Step5 求 CCM/DCM 临 ISB=2IOB/(1-Dmax)=2*2.528/(1-0.52)=10.533 Step6 计算次级电感 Ls 及原边电感 Lp Ls=(Vo+Vf)(1-Dmax)*T

7、s/ISB=(19+0.6)*(1-0.52)*(1/70000)/10=12.76uH Lp=n*n*Ls=6*6*12.76=459.4 uH 460 此电感值为临界电感,若需电路工作于 CCM,则可增大此值,若需工作于 DCM 则可适当调小此值.Step7 求 CCM 时副边峰值电流 isp Io(max)=(2Is+ISB)*(1-Dmax)/2 Is=Io(max)/(1-Dmax)-(ISB/2)Isp=ISB+Is=Io(max)/(1-Dmax)+(ISB/2)=3.16/(1-0.52)+10.533/2=11.85A Step8 求 CCM 时原边峰值电流 Ipp Ipp=

8、Isp/n=11.85/6=1.975 A Step9 确定 Np、Ns 1 Np Np=Lp*Ipp/(B*Ae)=460*1.975/(0.2*70.3)=64.6 Ts 因计算结果为分数匝,考虑兼顾原、副边绕组匝数取整,使变压器一、二次绕组有相同的安匝值,故调整 Np=60Ts OR Np=66Ts 考量在设定匝数比 n 时,已有铜损增加,为尽量平衡 Pfe 与 Pcu,在此先选 Np=60 Ts.2 Ns Ns=Np/n=60/6=10 Ts 3 Nvcc 求每匝伏特数 Va Va=(Vo+Vf)/Ns=(19+0.6)/10=1.96 V/Ts Nvcc=(Vcc+Vf)/Va=(1

9、2+1)/1.96=6.6 Step10 计算 AIR GAP lg=Np2*o*Ae/Lp=602*4*3.14*10-7*70.3/0.46=0.69 mm Step11 计算线径 dw 1 dwp Awp=Iprms/J Iprms=Po/VIN(min)=60/0.83/107=0.676A Awp=0.676/4 J 取 4A/mm2 or 5A/mm2=0.1(取 0.35mm*2)2 dws Aws=Io/J=3.16/4(1.0 mm)量可绕性及趋肤效应,采用多线并绕,单线不应大于 0.4,0.4之 Aw=0.126mm2,则 0.79(即 Ns 采用 0.4*6)3 dwvc

10、c Awvcc=Iv/J=0.1/4 上述绕组线径均以 4A/mm2 之计算,以降低铜损,若结构设计时线包过胖,可适当调整 J 之取值.4 估算铜窗占有率.0.4Aw Np*rp*(1/2dwp)2+Ns*rs*(1/2dws)2+Nvcc*rv*(1/2dwv)2 0.4Aw 60*2*3.14*(0.35/2)2+10*6*3.14+(0.4/2)2+7*3.14*(0.18/2)2 11.54+7.54+0.178=19.26 0.4*125.3=50.12 50.12 19.26 OK Step12 估算损耗、温升 求出各绕组之线长.求出各绕组之RDC和Rac 100 求各绕组之损耗功

11、率 加总各绕组之功率损耗(求出 Total 值)如:Np=60Ts,LP32/13BOBBIN 绕线平均匝长 4.33cm 则 INP=60*4.33=259.8 cm Ns=10Ts 则 INS=10*4.33=43.3 cm Nvcc=7Ts 则 INvc=7*4.33=30.31cm 查线阻表可知:0.35mm WIRE RDC=0.00268/cm 100 0.40mm WIRE RDC=0.00203/cm 100 0.18mm WIRE RDC=0.0106/cm 100 R100=1.4*R20 求副边各电流值.已知 Io=3.16A.副边平均峰值电流:Ispa=Io/(1-Dm

12、ax)=3.16/(1-0.52)=6.583A 副边直流有效电流:Isrms=(1-Dmax)*I2spa=(1-0.52)*6.5832=4.56A 副边交流有效电流:Isac=(I2srms-Io2)=(4.562-3.162)=3.29A 求原边各电流值:Np*Ip=Ns*Is 原边平均峰值电流:Ippa=Ispa/n=6.58/6=1.097A 原边直流有效电流:Iprms=Dmax*Ippa=1.097*0.52=0.57A 原边交流有效电流:Ipac=D*I2ppa=1.097*0.52=0.79A 求各绕组交、直流电阻.原边:RPDC=(lNp*0.00268)/2=0.348

13、 Rpac=1.6RPDC=0.557 副边:RSDC=(lNS*0.00203)/6=0.0146 Rsac=1.6RSDC=0.0243 Vcc 绕组:RDC=30.31*0.0106=0.321 计算各绕组交直流损耗:副边直流损:PSDC=Io2RSDC=3.162*0.0146=0.146W 交流损:Psac=I2sac*Rsac=3.292*0.0234=0.253W Total:Ps=0.146+0.253=0.399 W 原边直流损:PPDC=Irms2RPDC=0.572*0.348=0.113W 交流损:Ppac=I2pac*Rpac=0.792*0.557=0.348W 忽

14、略 Vcc 绕组损耗(因其电流甚小)Total Pp=0.461W 总的线圈损耗:Pcu=Pc+Pp=0.399+0.461=0.86 W 2 计算铁损 PFe 查 TDK DATA BOOK 可知 PC44 材之B=0.2T 时,Pv=0.025W/cm2 LP32/13 之 Ve=4.498cm3 PFe=Pv*Ve=0.025*4.498=0.112W Ptotal=Pcu+PFe=0.6+0.112=0.972 W 估算温升 t 依经验公式 t=23.5P/Ap=23.5*0.972/0.88=24.3 估算之温升t 小于 SPEC,设计 OK.Step13 结构设计 查 LP32/13 BOBBIN 之绕线幅宽为 21.8mm.考量安规距离之沿面距离不小于 6.4mm.