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当前位置:首页 > 开关电源变压器

一、开关变压器的工作原理 :


开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的道通与截止。 

将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压,从而产生所需要的一组或多组电压!转华为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比50HZ高很多.所以开关变压器可以做的很小,而且工作时不是很热!!成本很低.如果不将50HZ变为高频那开关电源就没有意 

开关电源的工作流程是: 

    电源→输入滤波器→全桥整流→直流滤波→开关管(振荡逆变)→开关变压器→输出整流与滤波。 

1. 交流电源输入经整流滤波成直流  

2. 通过高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管,将那个直流加到开关变压器初级上  3. 开关变压器次级感应出高频电压,经整流滤波供给负载  

4. 输出部分通过一定的电路反馈给控制电路,控制PWM占空比,以达到稳定输出的目的  

交流电源输入时一般要经过厄流圈一类的东西,过滤掉电网上的干扰,同时也过滤掉电源对电网的干扰;  

在功率相同时,开关频率越高,开关变压器的体积就越小,但对开关管的要求就越高;  开关变压器的次级可以有多个绕组或一个绕组有多个抽头,以得到需要的输出;  一般还应该增加一些保护电路,比如空载、短路等保护,否则可能会烧毁开关电源.  主要用于工业以及一些家用电器上,如电视机,电脑等  

开关电源原理图分析

1、正激电路  

 

电路的工作过程:  

a> 开关S开通后,变压器绕组N1两端的电压为上正下负,与其耦合的N2绕组两端的电压也是上正下负.因此VD1处于通态,VD2为断态,电感L的电流逐渐增长;   

b> S关断后,电感L通过VD2续流,VD1关断.S关断后变压器的激磁电流经N3绕组和VD3流回电源,所以S关断后承受的电压为 .   

c> 变压器的磁心复位:开关S开通后,变压器的激磁电流由零开始,随着时间的增加而线性的增长,直到S关断.为防止变压器的激磁电感饱和,必须设法使激磁电流在S关断后到下一次再开通的一段时间内降回零,这一过程称为变压器的磁心复位. 正激电路的理想化波形:  

 

变压器的磁心复位时间为:  Tist=N3*Ton/N1  

输出电压:输出滤波电感电流连续的情况下:  Uo/Ui=N2*Ton/N1*T  磁心复位过程:   

 

2、反激电路  反激电路原理图

 

反激电路中的变压器起着储能元件的作用,可以看作是一对相互耦合的电感.   

工作过程:   

S开通后,VD处于断态,N1绕组的电流线性增长,电感储能增加;   

S关断后,N1绕组的电流被切断,变压器中的磁场能量通过N2绕组和VD向输出端释放.S关断后的电压为:us=Ui+N1*Uo/N2   

反激电路的工作模式:   

电流连续模式:当S开通时,N2绕组中的电流尚未下降到零.  输出电压关系:Uo/Ui=N2*ton/N1*toff  

电流断续模式:S开通前,N2绕组中的电流已经下降到零.   

输出电压高于上式的计算值,并随负载减小而升高,在负载为零的极限情况下, ,因此反激电路不应工作于负载开路状态.    

反激电路的理想化波形 

二、开关变压器的选择 :


究竟是磁粉芯好,还是铁粉芯好?相信是许多工程师在进行开关电源方案的设计中经常碰到的疑问。在高功率电感的磁芯选择问题上,磁芯、粉芯、铁硅铝以及铁氧体中的选择和比较是工程师经常探讨的问题。市场上高功率电感的磁芯选择还是挺多的,可供选择的电感材料有:铁硅铝(KoolMμ)、铁粉芯、铁硅(硅钢叠片)、间隙铁氧体、钼坡莫(MPP)和高磁通 (HighFlux)等。

小编极力推荐软磁铁氧体材料,由于具有价格低、适应性能和高频性能好等特点,而被广泛应用于开关电源中。  软磁铁氧体,常用的分为锰锌铁氧体和镍锌铁氧体两大系列,锰锌铁氧体的组成部分是FE2O3,MNCO3,ZNO,它主要应用在1MHZ以下的各类滤波器、电感器、变压器等,用途广泛。而镍锌铁氧体的组成部分是FE2O3,NIO,ZNO等,主要用于1MHZ以上的各种调感绕组、抗干扰磁珠、共用天线匹配器等。  在开关电源中应用最为广泛的是锰锌铁氧体磁心,而且视其用途不同,材料选择也不相同。用于电源输入滤波器部分的磁心多为高导磁率磁心,其材料牌号多为R4K~R10K,即相对磁导率为4000~10000左右的铁氧体磁心,而用于主变压器、输出滤波器等多为高饱和磁通密度的磁性材料,其BS为0.5T(即5000GS)左右。  开关电源用铁氧体磁性材应满足以下要求:  

(1)具有较高的饱和磁通密度BS和较低的剩余磁通密度BR:

磁通密度BS的高低,对于变压器和绕制结果有一定影响。从理论上讲,BS高,变压器的绕组匝数可以减小,铜损也随之减小。  

在实际应用中,开关电源高频变换器的电路形式很多,对于变压器而言,其工作形式可分为两大类:  

1)双极性。电路为半桥、全桥、推挽等。变压器一次绕组里正负半周励磁电流

大小相等,方向相反,因此对于变压器磁心里的磁通变化,也是对称的上下移动,B的最大变化范围为△B=2BM,磁心中的直流分量基本抵消。  

2)单极性。电路为单端正激、单端反激等,变压器一次绕组在1个周期内加上1个单向的方波脉冲电压(单端反激式如此)。变压器磁心单向励磁,磁通密度在最大值BM到剩余磁通密度BR之间变化,见图7,这时的△B=BM-BR,若减小BR,增大饱和磁通密度BS,可以提高△B,降低匝数,减小铜耗。 

 (2)在高频下具有较低的功率损耗:

铁氧体的功率损耗,不仅影响电源输出效率,同时会导致磁心发热,波形畸变等不良后果。  

变压器的发热问题,在实际应用中极为普遍,它主要是由变压器的铜损和磁心损耗引起的。如果在设计变压器时,BM选择过低,绕组匝数过多,就会导致绕组发热,并同时向磁心传输热量,使磁心发热。反之,若磁心发热为主体,也会导致绕组发热。  

选择铁氧体材料时,要求功率损耗随温度的变化呈负温度系数关系。这是因为,假如磁心损耗为发热主体,使变压器温度上升,而温度上升又导致磁心损耗进一步增大,从而形成恶性循环,最终将使功率管和变压器及其他一些元件烧毁。因此国内外在研制功率铁氧体时,必须解决磁性材料本身功率损耗负温度系数问题,这也是电源用磁性材料的一个显著特点,日本TDK公司的PC40及国产的R2KB等材料均能满足这一要求。  (3)适中的磁导率:

相对磁导率究竟选取多少合适呢?这要根据实际线路的开关频率来决定,一般相对磁导率为2000的材料,其适用频率在300KHZ以下,有时也可以高些,但最高不能高于500KHZ。对于高于这一频段的材料,应选择磁导率偏低一点的磁性材料,一般为1300左右。  

(4)较高的居里温度:

居里温度是表示磁性材料失去磁特性的温度,一般材料的居里温度在200℃以上,但是变压器的实际工作温度不应高于80℃,这是因为在100℃以上时,其饱和磁通密度BS已跌至常温时的70%。因此过高的工作温度会使磁心的饱和磁通密度跌落的更严重。再者,当高于100℃时,其功耗已经呈正温度系数,会导致恶性循环。对于R2KB2材料,其允许功耗对应的温度已经达到110℃,居里温度高达240℃,满足高温使用要求。


三、开关变压器的设计 :


设计前应确定下列基本条件:电路形式,开关工作频率,变压器输入电压幅值,开关功率管最大导通时间,变压器输出电压电流,输出侧整流电路形式,对漏感及分布电容的要求,工作环境条件等。  

(1)确定磁心尺寸  

1)求变压器计算功率PT  

PT的大小取决于变压器输出功率及输出侧整流电路形式:  

全桥电路,桥式整流:PT=(1+1/N)PO 半桥电路,双半波整流:PT=(1/N+)PO 推挽电路,双半波整流:PT=(/N+)PO式中:PO=UOIO,直流输出功率。PT可在(2~2.8)PO范围内变化,PO及PT均以瓦(W)为单位。N=N1/N2,变压匝数比。 

 2)确定磁通密度BM

BM与磁心的材料、结构形式及工作频率等因素有关,又要考虑温升及磁心不饱和等要求。对于铁氧体磁心多采用0.3T(特斯拉)左右。 

 3)计算磁心面积乘积SP  

SP等于磁心截面积SC(CM2)及窗口截面积SO(CM2)的乘积,即  SP=SCSO=[(PT×104)/4BMFKWKJ]1.16(CM4) 式中:KW——窗口占空系数,与导线粗细、绕制工艺及漏感和分布电容的要求等有关。一般低压电源变压器取KW=0.2~0.4。  

KJ——电流密度系数,与铁心形式、温升要求等有关。对于常用的E型磁心,当温升要求为25℃时,KJ=366;要求50℃时,KJ=534。环型磁心,当温升要求为25℃时,KJ=250;要求50℃时,KJ=365。  

由SP值选择适用于或接近于SP的磁性材料、结构形式和磁心规格。  

(2)计算绕组匝数  

1)一次绕组匝数:N1=(UP1TON×10-2)/2BMSC(匝)  式中:UP1——一次绕组输入电压幅值(V)  TON——一次绕组输入电压脉冲宽度(ΜS)  

2)二次绕组匝数:N2=(UP2N1)/UP1(匝) ……NI=(UPIN1)/UP1(匝)  式中:UP2…UPI——二次绕组输出电压幅值(V)  

(3)选择绕组导线  

导线截面积SMI=II/J(MM2)  

式中:II——各绕组电流有效值(A)  J——电流密度  

J=KJSP-0.14×10-2(A/MM2)  

(4)损耗计算  

1)绕组铜损PMI=II2RAI(W)  

式中:RAI——各绕组交流电阻(Ω),RA=KRRD,RD——导线直流电阻,KR——趋表系数,KR=(D/2)2/(D-△)·△,D——圆导线,直径(MM),△——穿透深度(MM),圆铜导线△=66.1/F0.5(F:电流频率,HZ)  变压器为多绕组时,总铜损为      PM= II2RAI(W)  2)磁心损耗PC=PCOGC  

式中:PCO——在工作频率及工作磁通密度情况下单位质量的磁心损耗(W/KG)  GC——磁心质量(KG)  

3)变压器总损耗PZ=PM+PC(W) 

(5)温升计算  

变压器由于损耗转变成热量,使变压器温度上升,其温升数值与变压器表面积ST有关ST=  

式中:SP——磁心面积乘积(CM4)  

KS——表面积系数,E型磁心KS=41.3,环型磁心KS=50.9  5.2单极性开关电源变压器的计算  

设计前应确定下列基本条件:电路形式,工作频率,变换器输入最高和最低电压,输出电压电流,开关管最大导通时间,对漏感及分布电容的要求,工作环境条件等。  

(1)单端反激式计算  

1)变压器输入输出电压

一次绕组输入电压幅值UP1=UI-△U1  式中:UI——变换器输入直流电压(V)  △U1——开关管及线路压降(V)  

二次绕组输出电压幅值UP2=U02+△U2……UPI=U0I+△UI  式中:U02…U0I——直流输出电压(V)  △U2…△UI——整流管及线路压降(V)  

2)一次绕组电感临界值(H)  

式中:N——变压器匝数比N=TONUP1/TOFFUP2  TON——额定输入电压时开关管导通时间(ΜS)  TOFF——开关管截止时间(ΜS)  

T——开关电源工作周期(ΜS),T=1/F,F:工作频率(HZ)  PO——变压器输出直流功率(W)  

通常要求一次绕组实际电感LP1≥LMIN  

3)确定工作磁通密度  

单端反激式变压器工作在单向脉冲状态,一般取饱和磁通密度值(BS)的一半,即脉冲磁通密度增量△BM=BS/2(T)  

4)计算磁心面积乘积  

    SP=392LP1IP1D12/△BM(CM4)  

式中:IP1——一次绕组峰值电流IP1=2PO/UP1MINDMAX(A)  式中:UP1MIN——变压器输入最低电压幅值(V)  

DMAX——最大占空比,DMAX=TONMAX/TD1——一次绕组导线直径(MM),由一次绕组电流有效值I1确定,单向脉冲时I1=IP1(TON/T)0.5  

5)空气隙长度  

    LG=0.4∏LP1IP12/△BM2SC(CM) 

 6)绕组匝数计算  

一次绕组,有气隙时N1=△BMLG×104/0.4∏IP1(匝)无气隙时(匝)  式中:LC——磁心磁路长度(CM)  

ΜE——磁心有效磁导率,由工作的磁通密度和直流磁场强度及磁性材料决定,查阅磁心规格得出。  

二次绕组N2=[UP2(1-DMAX)/UP1MINDMAX]N1……      NI=[UPI(1-DMAX)/UPIMINDMAX]N1 

(2)单端正激式计算  

单端正激式电路工作的特点是一、二次绕组同时工作,另加去磁绕组,因此计算方法与双极性电路类似。  

1)二次绕组峰值电流等于直流输出电流,即IP2=I02  

2)二次绕组电压幅值  

开关电源功率变压器的设计方法:

 UP2=(UO2+△U2)/D(V)  式中:

UO2——输出直流电压(V)  

△U2——整流管及线路压降(V)  

D——额定工作状态时的占空比D=TON/T 

 3)变压器输出功率:

 P2= (DUP2IP2)(W)  式中:

UP2——变压器输出电压幅值(V)

IP2——二次绕组峰值电流(A)  

4)确定磁心体积  

    VE=(12.5ΒP2×103)/F(CM3)  式中:

Β——计算系数,工作频率F=30~50KHZ时,Β=0.3 由VE值选择接近尺寸的磁心。  

5)一次绕组匝数  

    N1=(UP1TON×10-2)/F(匝)  

式中:UP1——变压器输入额定电压幅值(V)  

6)二次绕组匝数N2=(UP2/UP1)N1……NI=UPIN1/UP1  

7)去磁绕组匝数NH=N1  

8)绕组电流有效值二次侧:I2=IP2  一次侧:I1=UP2I2/UP1  去磁:IH=(5~10)%I1 


四、开关变压器的参数 :


设计变压器时大多需要考虑下面参数:变换器频率f(H2);初级电压U1(V),次级电压U2(V);次级电流i2(A);绕组线路参数n1、,n2;温升τ(℃);绕组相对电压降u;环境温度τHJ(℃);绝缘材料密度γz(g/cm3)



五、开关变压器的型号 :




六、开关变压器的价格 :

开关变压器价格主要取决于产品的工艺复杂程度、客户对原材料的要求,以及是否要求过安规认证等。咨询电话:13266851143


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