半桥电路变压器设计.docx
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半桥电路变压器设计.docx
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半桥电路变压器设计
8A充电器设计实例
设计一个功率变压器,用于33.3KHz的半桥电路,AC输入:
90—130V180—260V输出:
28V/8A14V/0.1A
步骤1:
选择磁芯材料。
设计中选择LP3(等同PC40)或同等材料的磁芯。
步骤2:
选择Bmax值。
新康达公司的LP3材料100℃时饱和磁通密度为3900GS,这里选择800GS.50KHz以下时选1600GS
频率越高,该值越小,LP3数据在100KHz时取1000GS,对应的功耗是Pc=90kw/m3(80℃).而在100KHz取2000GS
对应的功耗是Pc=480kw/m3(80℃).
步骤3:
最大工作初级电流。
直流输入电压Vdc为最小值时,开关管导通时间为半周期的80%,输入功率为Vdc与平均电流(0.8Ipft)的乘积,假设效率为80%(小于200khz的变换器都能达到此效率)
Po=0.8Pin,则
Pin=1.25Po=Vdc0.8Ipft
Ipft=1.56Po/Vdc=1.56*28*8/(90*1.4-20)
=3.3A
假设脉冲等效为平顶波,其幅值Ipft是斜坡中点处的电流值。
初级绕组每半个周期只承担一个平顶波Ipft,因此其占空比为(0.8T/2)T=0.4,所以电流有效值为
Irms=Ipft*D0.5=0.632Ipft
=2.08A
步骤4:
初次级线径的计算
电流密度取J=300A/cm2,以保障线圈温升不大于25度,则
初级需要的导线面积为
Sp=Irms/j=2.08/3mm2=0.69mm2
Rp=(Sp/∏)0.5=0.47mm
线径的选取应该比计算的略大,以上线径是否要调整还要看趋肤深度:
原则上线径直径小于2倍的趋肤深度(因为直径大,交流电阻加大)
△=66.2/(f0.5)mm25℃
△=70/(f0.5)mm50℃(估算值)
△=75/(f0.5)mm100℃
以△=66.2/(f0.5)mm25℃计算,
△=70/(f0.5)mm=0.38mmm
2△=0.76mm
dp=2Rp=0.94mm>2△
所以取双线并绕,每根线直径为0.5mm.
类似的每个次级半绕组电流有效值为
Is1rms=Idc1*D0.5=8*0.632A=5.06A
Ss1=Is1rms/j=5.06/3mm2=1.69mm2
Rs1=(Ss1/∏)0.5=0.73mm
Ds1=2Rs1=1.46mm>2△
所以取双线并绕,每根线直径为0.7mm.
Is2rms=Idc2*D0.5=0.2*0.632A=0.12A
Ss2=Is2rms/j=0.12/3mm2=0.04mm2
Rs2=(Ss2/∏)0.5=0.11mm
Ds2=2Rs2=0.22mm<2△
取直径为0.3mm.
步骤5:
计算AP值,选择磁芯和窗口面积.
在计算AP值之前,首先计算视在功率Pt值(只有推挽电路有效)。
Pt=Pin+1.41P0=P0/n+1.41P0只针对二次线圈具有中间抽头的全波电路,如果有多组输出,也是类似相加。
P∑=PO1(U)+PO2(U)+……POn(U)
无论一次还是二次线圈,只要有中间抽头,系数U就为1.41
否则为1.如本例的半桥电路,初级没有中间抽头,系数为1,次级有中间抽头,系数为1.41.如果输出电压很低,就要考虑输出二极管的压降(Vd)。
PO=(VO+Vd)IO
下面计算AP值:
AP=Aw*Ae=Pt*104/(Kf*Ku*BAC*F*J)cm4
Pt:
视在功率(W)
Kf:
波形系数,取4
Ku:
窗口利用率0.2—0.4
BAC:
磁通变化量(T)
F:
频率(Hz)
J:
电流密度(A/CM2)
AP=(28*8/0.8+1.41*28*8+1.41*15*0.1)*104/(4*0.3*0.08*33.3*103*300)
=6.2cm4
查表得EE4220或EER4220.Ae=2.33cm2,Aw=2.66cm2
AP=Ae*Aw=2.33*2.66=6.19cm4
由表格参数得对应的功耗是Pc=10kw/m3(80℃)=0.01w/cm3
磁芯损耗=6.19*0.01W=0.06W.
步骤6:
初级线径圈数
Np=Vdc*104/(Kf*Bac*f*Ae)
=(1.41*90-20)*104/(4*0.08*33.3*103*2.33)
=42.6Ts
取42Ts
Vdc为加在线圈的电压。
Kf为波形系数=4
Bac单位为T(这里取0.08T)
F为频率(Hz)
Ae为磁芯面积(cm2)
步骤6:
次级线径圈数(中心抽头至两端)
Ns1=Np*VS1/Vp
=42*(28+1)/(1.41*90-20)
=11.5Ts
取12Ts
Ns2=Np*VS2/Vp
=42*(15+1)/(1.41*90-20)
=6.33Ts
取6Ts
输入滤波电容的计算:
C=It/ΔV(UF)
I:
负载电流(A)
t:
电容器所能提供电流时间(ms)
ΔV:
允许的峰峰涟波值(V)
电源总功率Pin=1.25P0(80%)=1.25*28*8=280W
最低直流输入电压Vin=180*1.4=252V
I=Pin/Vin=280/252=1.1A
假设所能允许的峰峰涟波值为30V,电容在每一半周要维持在电压单位。
50Hz的交流线频率为10ms,则
C=It/ΔV=(1.1×10×10-3)/30=366uf
取330uf
输出滤波电感设计:
铁粉心与MPP铁心一般的形状都为环行,由于具有以下的特性,很适合做功率扼流圈(choke)
1.高饱和磁通量密度,Bsat可高达8000G。
2.具有高能量储存容许能力。
3.本身具有空气间隙,不需在铁心上切割间隙。
4.有较多的尺寸大小可供选择。
L=Eout*Toff/(0.25*Iout)
Toff=0.5(1-(Eout/Ein))/F
Eout:
滤波电感之后电压
Ein:
滤波电感之前电压
Toff:
最大的Toff发生在最大输入线电源下。
此时开光管Ton在最小值。
0.25Iout:
为保持低电感器峰值与良好的输出涟波,建议ΔI不超过0.25Iout。
F:
开关电源f(Khz)
Ein一般等于2倍的Eout
Toff=0.5(1-0.5)/33=7.5us
L=28*7.5/(0.25*8)=105uH
计算LI2out的乘积:
LI2=0.105*8*8=6.72
使用Magnetics公司的MPP铁心资料的图标法可得。
注
由图标查得铁硅铝70U,4-20
如用较高导磁率的材料则绕圈数更少。
计算圈数以获得所需之电感值。
圈数可由下式计算求出:
即第二列AL+-8%
由此可得N=46T
如想减少圈数,可采用高磁导率,如125U
可得N=36T
由导线尺寸表的8A电流的导线直径为AWG14.(电流密度为400)
考虑到成本与趋肤效应最好有多股导线组成。
输出电容计算:
Cout=0.25*8/(8*33*103*0.1)=75UF
经验上我们要取大一点,并联电容器可获得极低的ESR.
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- 电路 变压器 设计