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半桥开关电源变压器设计计算

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一、半桥式开关电源变压器参数的计算方法是什么?

半桥式开关电源变压器参数的计算与推挽式变压器相似。主要区别在于激励方式及电源接入方式。计算推挽式变压器初级线圈N1匝数的数学公式,稍作修改即可适用于半桥式变压器。下面将详细介绍半桥式变压器初级线圈匝数的计算方法。

半桥式开关电源属于双激式,变压器铁心的磁感应强度B从负的最大值-Bm变化至正的最大值+Bm。与推挽式不同,半桥式无需留气隙。计算方法与推挽式变压器基本相同,只是直接加到初级线圈两端的电压仅为输入电压Ui的一半。

接下来,我们需要确定变压器的初级线圈匝数N1。在进行计算之前,首先明确变压器的工作频率f、输出功率P、输入电压Ui、输出电压Uo以及开关周期T。根据这些参数,我们可以通过以下公式计算初级线圈匝数N1:

N1=(2*π*f*L*C)/(Uo/2-Ui)*(R+r)/(R*r)

其中,L表示变压器的电感,C表示电容,R与r分别代表开关管的电阻和反向恢复时间造成的等效电阻。

通过以上公式,可以计算出半桥式开关电源变压器初级线圈的匝数N1。这将直接影响电源的输出能力和效率。在计算过程中,还需要考虑到变压器的损耗、效率和输出稳定性等因素,以确保电源系统正常运行。

二、电源变压器的计算方法

如果是很基本的就是U1/U2=I2/I1=W1/W2

式中:I1,I2—变压器原副绕组电流(A)

U1,U2——变压器原副绕组电压(V)

W1,W2—原、副绕组的匝数

如果是开关电源的变压器就用下面的方法算:

一、双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,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。

公式:为了确保变压器在磁化曲线的线性区工作,可用下式计算最大磁通密度(单位:T)

Bm=(Up×104)/KfNpSc

式中:Up——变压器一次绕组上所加电压(V)

f——脉冲变压器工作频率(Hz)

Np——变压器一次绕组匝数(匝)

Sc——磁心有效截面积(cm2)

K——系数,对正弦波为4.44,对矩形波为4.0

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

二、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/toffUp2ton——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/T

D1——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=0.4πLp1Ip12/△Bm2SC(cm)

6)绕组匝数计算

  一次绕组,有气隙时

N1=△Bmlg×104/0.4πIp1(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

各种电源变压器磁芯面积积公式

原创2021-05-09 12:58·小程的电源

最近收集了几种开关电源拓扑的变压器和输出滤波电感的面积积的计算公式,这里将此罗列在以下。此前,我们先说明以下公式中会用到的符号含义。

Wa——磁芯窗口面积cm2;

Ae——磁芯截面积cm2;

Pomax——输出功率最大值w;

Dmax——最大占空比;

Dmin——最小占空比;

Bm——最大磁感应强度T;

fs——开关频率Hz;

J——电流密度;

K——窗口面积利用率;

η——效率;

其中,λ为电感纹波电流系数,其定义为:

1.有源去磁正激电源变压器

2.正激电源输出滤波电感

3.反激电源变压器

4.对称半桥电源变压器

5.对称半桥电源输出滤波电感

6.不对称半桥电源变压器

7.不对称半桥电源输出滤波电感

以上几种变压器和滤波电感的面积积的计算公式,本人暂时没有在实际项目中试验过,但看它们的推导过程还是蛮有道理的,估计可以使用,有条件的朋友们试试。

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半桥开关电源变压器设计计算
发布人:suo19761217 发布时间:2025-02-05