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1200W双管正激变换器设计之一——变压器设计

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duplicate
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LV6
高级工程师
  • 2015-11-3 17:08:01
正激变换器通常使用无气隙的磁芯,电感值较高,初次级绕组峰值电流较小,因而铜损较小,开关管峰值电流较低,开关损耗较小,其高可靠高稳定性使得其在很多领域和苛刻环境得到应用.
下面举例给大家分享下对正激变换器的设计方法:
规格:
输入电压Vin=400V(一般在输入端会有CCM APFC将输入电压升压在稳定的DC400V左右)
输出电压Vout=12V
输出功率Pout=1200W
效率η=85%
开关频率Fs=68KHz
最大占空比Dmax=0.35
第一,    选择磁芯的材质
选择高μ低损,高Bs材质,一般常采用TDK PC40或同等材,

因为正激电路的磁芯单向磁化,要让磁芯不饱和,磁芯中的磁通密度最大变化量需满足ΔB<Bs-Br,得ΔB=390-55=335mT,但实际应用中由于温度效应和瞬变情况会引起Bs和Bs的变化,导致ΔB的动态范围变小而出现饱和,因此,设计时需保留一定裕量,通常取60%~80%(Bs-Br), ΔBc选得过高磁芯损耗会增加,易饱和,选得过小会使匝数增加,铜损增大,产品体积增大,通常选择60%(Bs-Br),则最大磁通变化量ΔB=(390-55)*0.6=201mT,即0.201T


第二,   确定磁芯规格
根据公式AP=Aw*Ae=(Ps*104)/(2ΔB*Fs*J*Ku)
其中:
Aw为磁芯的铜窗口截面积(cm2),Ae为磁芯的有效截面积(cm2),Ps为变压器的视在功率(W),J为电流密度(A),Ku为铜窗口占用系数
对正激变换器,视在功率Ps=Pout/η+Pout
电流密度J根据不同的散热方式取值不同,一般采用300~600A/cm2,此处考虑到趋肤效应采用多股纱包线,取600A/cm2
铜窗口占用系数Ku取0.2
ΔB=0.20T,J=600A/cm2,Ku=0.2
代入公式得AP=[(1200/0.85+1200)*104]/(2*0.201*68*103*600*0.2)=7.962cm4
查磁芯规格书,选用磁芯ETD49,
第三,计算匝比、匝数
1. 根据公式N=Np/Ns=Vin/Vout=(Vin*Dmax)/(Vo+Vf)
其中Vf为输出二极管正向压降,取0.8V
得匝比N=(400*0.35)/(12+0.8)=10.9375,
取匝比N=11验算最大占空比Dmax,
最大占空比Dmax=N(Vout+Vf)/Vin=11*(12+0.8)/400=0.352
2. 根据公式Np=Vin*Ton/(ΔB*Ae)
导通时间Ton=Dmax*Ts,周期Ts=1/Fs*106
得初级匝数NP=[Vin*Dmax*(1/Fs*106)]/(ΔB*Ae)={400*0.352*[1/(68*103)*106]}/(0.201*213)=48.36Ts,取49Ts
3. 次级匝数Ns=Np/N=49/11=4.45Ts
4. 取次级匝数Ns=5Ts验算初级匝数Np,
初级匝数Np=Ns*N=5*11=55Ts
考虑到输入电压较高,采用双管正激比采用单管正激可以大幅减小MOS的电压应力,无需消磁绕组。
7. 再通过初级匝数Np来验算最大磁通变化量ΔB,
最大磁通变化量ΔB=(Vin*Dmax*Ts)/(Np*Ae)={400*0.352*[1/(68*103)*106]}/(55*213)=0.1767T
根据ΔB+Br<Bs得 0.1767+0.055=0.2317<0.39,  OK
8. 根据L=N2*Al得,
初级电感量最小值Lmin=Np2*[AL*(1-0.25)]=552*[4440*(1-0.25)]/106=10.0mH
第四, 计算各绕组线径
1. 输入电流Ip=Pout/(Vin*Dmax*η)=1200/(400*0.352*0.85)=10.0A
初级线圈电流有效值Ip_rms=Ip*SQRT(Dmax)=10.0*SQRT(0.352)=5.9A
则,初级线圈截面积Swp=Ip_rms/J=5.9/600=0.0098cm2=0.98mm2
多股纱包线单根直径为0.1mm,其单根面积为Sw=3.14*(0.1/2)2=0.00785mm2
得,初级所需纱包线股数Nwp=Swp/Sw=0.98/0.00785=124.8PCS,约125PCS。
即,初级线圈采用125根单根直径0.1mm的纱包线。
2. 次级线圈电流有效值Is_rms=Iout*SQRT(Dmax)=100*SQRT(0.352)=59.3A
次级线圈截面积Sws=Is_rms/J=59.3/600=0.0988cm2=9.88mm2
次级所需纱包线股数Nws=Sws/Sw=9.88/0.00785=1258.6PCS,约1260PCS。
即,次级线圈采用1260根单根直径0.1mm的纱包线。
通常纱包线的电流密度可取范围较大,一般为400~1200A/CM2,结合常用规格,取:
初级线圈采用120根单根直径0.1mm的纱包线绕55Ts;
次级线圈采用1200根单根直径0.1mm的纱包线绕5Ts。


本帖最后由 duplicate 于 2015-11-4 11:19 编辑

fobiafd
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LV6
高级工程师
  • 2015-11-3 17:36:04
 
期待楼主的下文
fobiafd
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LV6
高级工程师
  • 2015-11-3 17:38:54
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如果能结合实际案例来讲解就更好了
long609689209
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副总工程师
  • 2015-11-3 17:48:10
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能发下原理图吗?
ljj1993
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高级工程师
  • 2015-11-15 11:53:10
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来个电路图,学习一下~ 谢楼主
木木很-shy
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LV8
副总工程师
  • 2015-12-6 21:04:31
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楼主写的很详细,向您学习,另外请教,算得电流有效值后,如何选择漆包线,有什么对应规则吗?
lilstu
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高级工程师
  • 2016-7-15 12:14:12
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你算错了,就这样
preety110
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本网技师
  • 2018-12-14 07:37:13
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双端正激的为什么都要带PFC,不带PFC的会怎么样?
long609689209
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副总工程师
  • 2018-12-14 09:21:24
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不带PFC一般只能做单电压。要做全电压也可以,高压的时候效率会比较低
preety110
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本网技师
  • 2018-12-14 17:50:42
  • 倒数3
 
初级线圈采用120根单根直径0.1mm的纱包线绕55Ts;
次级线圈采用1200根单根直径0.1mm的纱包线绕5Ts。

确定次级要这么大的线径。

qiouchen2
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副总工程师
  • 2022-1-12 23:31:32
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计算电流的SQRT 这个是什么东西,没看懂
wangyuda10
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