1-6-3.正激式變壓器開關(guān)電源電路參數(shù)的計(jì)算
正激式變壓器開關(guān)電源電路參數(shù)計(jì)算主要對(duì)儲(chǔ)能濾波電感、儲(chǔ)能濾波電容,以及開關(guān)變壓器的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。
1-6-3.1.正激式變壓器開關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感和儲(chǔ)能濾波電容參數(shù)的計(jì)算
在圖1-17的正激式變壓器開關(guān)電源電路中,其輸出電壓濾波電路的工作原理與圖1-2中的串聯(lián)式開關(guān)電源濾波電路的工作原理完全相同,因此,正激式變壓器開關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感和儲(chǔ)能濾波電容參數(shù)的計(jì)算,可參考圖1-2中的串聯(lián)式開關(guān)電源中儲(chǔ)能濾波電感和儲(chǔ)能濾波電容參數(shù)的計(jì)算方法,這里我們不準(zhǔn)備再詳細(xì)分析,可以直接引用(1-14)式和(1-18)式,即:
式中Io為流過(guò)負(fù)載的電流(平均電流),Ton為控制開關(guān)K的接通時(shí)間;當(dāng)D=0.5時(shí),Io正好等于流過(guò)儲(chǔ)能電感L最大電流iLm的二分之一, Ton正好等于開關(guān)電源工作周期T的二分之一;ΔUP-P為輸出電壓的波紋電壓,波紋電壓ΔUP-P一般都取峰-峰值,所以波紋電壓ΔUP-P正好等于電容器充電或放電時(shí)的電壓增量ΔUc,即:ΔUP-P = ΔUc 。
同理,(1-91)式和(1-92)式的計(jì)算結(jié)果,只給出了計(jì)算正激式變壓器開關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感L和濾波電容C的中間值,或平均值,對(duì)于極端情況可以在平均值的計(jì)算結(jié)果上再乘以一個(gè)大于1的系數(shù)。
關(guān)于電壓平均值輸出濾波電路的詳細(xì)工作原理與參數(shù)計(jì)算,請(qǐng)參看“1-2.串聯(lián)式開關(guān)電源”部分中的“串聯(lián)式開關(guān)電源電壓濾波輸出電路”內(nèi)容,這里不再贅述。
1-6-3-2.正激式開關(guān)變壓器參數(shù)的計(jì)算
正激式開關(guān)變壓器與反激式開關(guān)變壓器,原則上都屬于單激式變壓器,因此,在變壓器參數(shù)計(jì)算方面它們之間沒有太大的區(qū)別。但正激式開關(guān)變壓器一般都設(shè)有一個(gè)退磁線圈(圖1-17中的N3),因此,在剩磁的取值方面它們之間還是有一點(diǎn)點(diǎn)區(qū)別。正激式開關(guān)變壓器參數(shù)的計(jì)算主要從這幾個(gè)方面來(lái)考慮:
一個(gè)是開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的匝數(shù)與伏秒容量有關(guān),伏秒容量越大開關(guān)變壓器的勵(lì)磁電流就越小。伏秒容量表示,一個(gè)開關(guān)變壓器能夠承受多高的輸入電壓和多長(zhǎng)時(shí)間的沖擊。在開關(guān)變壓器伏秒容量一定的條件下,輸入電壓越高,開關(guān)變壓器能夠承受沖擊的時(shí)間就越短,反之,輸入電壓越低,開關(guān)變壓器能夠承受沖擊的時(shí)間就越長(zhǎng);而在一定工作電壓的條件下,開關(guān)變壓器的伏秒容量越大,開關(guān)變壓器鐵芯中的磁通密度就越低,開關(guān)變壓器的鐵芯就不容易飽和。
另一個(gè)是開關(guān)變壓器初、次級(jí)線圈的匝數(shù)比,以及開關(guān)變壓器各個(gè)繞組的額定輸入或輸出功率。同時(shí),還應(yīng)該考慮開關(guān)變壓器的安全標(biāo)準(zhǔn)問題,因?yàn)?,開關(guān)變壓器屬于安全器件。
關(guān)于開關(guān)變壓器的工作原理以及參數(shù)設(shè)計(jì),在后面章節(jié)中還要更詳細(xì)分析,這里先做比較簡(jiǎn)單的介紹。
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1-6-3-2-1.正激式開關(guān)變壓器初級(jí)線圈匝數(shù)的計(jì)算
由于變壓器鐵芯中的磁通量全部都是由勵(lì)磁電流產(chǎn)生的((1-61)式),與次級(jí)線圈中有無(wú)電流無(wú)關(guān),因此,我們可以假設(shè)開關(guān)變壓器所有次級(jí)線圈都是開路的。當(dāng)輸入電壓Ui加于開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的兩端時(shí),流過(guò)變壓器初級(jí)線圈的電流只有勵(lì)磁電流,勵(lì)磁電流會(huì)隨時(shí)間增加而增加,變壓器鐵芯中的磁通量也隨時(shí)間增加而增加。對(duì)于圖1-17,根據(jù)電磁感應(yīng)定理:
式中e1為變壓器初級(jí)線圈產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì),L1為變壓器初級(jí)線圈的電感量, 為變壓器鐵芯中的磁通量,Ui為變壓器初級(jí)線圈的輸入電壓。其中磁通量 還可以表示為:
上式中,S為變壓器鐵芯的導(dǎo)磁面積(單位:平方厘米),B為磁感應(yīng)強(qiáng)度,也稱磁通密度(單位:高斯),即:?jiǎn)挝幻娣e的磁通量。
把(1-94)式代入(1-93)式并進(jìn)行積分:
(1-96)式就是計(jì)算單激式開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1繞組匝數(shù)的公式。式中,N1為變壓器初級(jí)線圈的最少匝數(shù),S為變壓器鐵芯的導(dǎo)磁面積(單位:平方厘米),Bm為變壓器鐵芯的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度(單位:高斯),Br為變壓器鐵芯的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度(單位:高斯),Br一般簡(jiǎn)稱剩磁,τ = Ton,為控制開關(guān)的接通時(shí)間,簡(jiǎn)稱脈沖寬度,或電源開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間寬度(單位:秒),Ui為工電壓,單位為伏特。式中的指數(shù)部分是為了統(tǒng)一單位用的,選用不同單位,指數(shù)部分的值也不一樣,這里選用CGS單位制,即:長(zhǎng)度為厘米(cm),磁感應(yīng)強(qiáng)度為高斯(Gs),磁通單位為麥克斯韋(Mx)。一般τ取值時(shí)要預(yù)留20%以上的余量。
(1-96)式中,Ui×? 或Ui×Ton就是變壓器的伏秒容量,即:伏秒容量等于輸入脈沖電壓幅度與脈沖寬度的乘積,這里我們把伏秒容量用VT來(lái)表示。伏秒容量VT的含義是顯而易見的,它表示,一個(gè)變壓器能夠承受多高的輸入電壓和多長(zhǎng)時(shí)間的沖擊,因此,伏秒容量也可以成為開關(guān)變壓器的耐電壓沖擊容量。
在變壓器伏秒容量一定的條件下,輸入電壓越高,變壓器能夠承受沖擊的時(shí)間就越短,反之,輸入電壓越低,變壓器能夠承受沖擊的時(shí)間就越長(zhǎng);而在一定的工作電壓條件下,變壓器的伏秒容量越大,變壓器鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度就越低,變壓器鐵芯就更不容易飽和。變壓器的伏秒容量與變壓器的體積以及功率無(wú)關(guān),而只與變壓器的容許的磁通變化量有關(guān)。
必須指出Bm和Br都不是一個(gè)常量,當(dāng)流過(guò)變壓器初級(jí)線圈的電流很小時(shí),Bm是隨著電流增大而增大的,但當(dāng)電流增大到某個(gè)值時(shí)時(shí),Bm將不能再隨電流的增大而繼續(xù)增大,這種現(xiàn)象稱磁飽和。為了防止脈沖變壓器飽和,一般都要在開關(guān)變壓器鐵芯的磁回路中預(yù)留一定的氣隙。由于空氣的導(dǎo)磁率與鐵芯的導(dǎo)磁率相差成千上萬(wàn)倍,因此,只要在磁回路中留有百分之一或幾百分之一的氣隙長(zhǎng)度,其磁阻或者磁動(dòng)勢(shì)將大部分落在氣隙上,因此磁心也就很難飽和。
在沒有留氣隙的變壓器鐵芯中,Br的值一般都很高;留有氣隙的變壓器鐵芯,Br值相對(duì)降低很多,但變壓器鐵芯的有效導(dǎo)磁率µe卻也會(huì)顯著降低。氣隙留得越大,變壓器鐵芯的有效導(dǎo)磁率µe就越低。另外,Bm的大小與變壓器鐵芯選用的材料不同而不同。對(duì)于一般高頻變壓器使用的鐵氧體磁芯,Bm的最大值一般都在5000高斯以下;而Br的取值范圍與退磁電流大小有關(guān),一般可在1000~2500高斯范圍內(nèi)選取。
正激式開關(guān)變壓器一般都設(shè)有一個(gè)退磁線圈回路(如圖1-17中的N3和D3),因此,剩磁Br的值可以取得低一些,一般可在10~20%Bs的范圍內(nèi)選取(Bs為變壓器鐵芯的飽和磁通密度);對(duì)于反激式開關(guān)變壓器,一般都不另設(shè)退磁線圈回路,其退磁主要靠變壓器次級(jí)線圈在輸出功率的同時(shí),流過(guò)變壓器次級(jí)線圈的電流會(huì)在變壓器鐵芯中產(chǎn)生反向磁通,從而使變壓器進(jìn)行退磁,但其退磁效果相對(duì)于專門設(shè)有退磁線圈的方法要差一些,因此,Br值相對(duì)要取大一些,一般可在20~30%Bs的范圍內(nèi)選取。
在(1-96)式中雖然沒有看到變壓器初級(jí)線圈電感這個(gè)變量,但從(1-93)式可以求得:
上式表示,變壓器初級(jí)線圈的電感量等于穿過(guò)變壓器初級(jí)線圈的總磁通,與流過(guò)變壓器初級(jí)線圈勵(lì)磁電流之比,另外,由于線圈之間有互感作用,即勵(lì)磁電流除了受輸入電壓的作用外,同時(shí)也受線圈電感量的影響,因此,變壓器線圈的電感量與變壓器線圈的匝數(shù)的平方成正比。從(1-96)式和(1-97)式可以看出,變壓器初級(jí)線圈的匝數(shù)越多,伏秒容量和初級(jí)線圈的電感量也越大。因此,對(duì)于正激式開關(guān)變壓器來(lái)說(shuō),如果不考慮變壓器初級(jí)線圈本身的電阻損耗,變壓器初級(jí)線圈的匝數(shù)是越多越好,電感量也是越大越好。但在進(jìn)行變壓器設(shè)計(jì)的時(shí)候,還要對(duì)成本以及銅阻損耗等因素一起進(jìn)行考慮。
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1-6-3-2-2.正激式變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比的計(jì)算
正激式開關(guān)電源輸出電壓一般是直流脈沖電壓的平均值,而直流脈沖電壓的平均值與控制開關(guān)的占空比有關(guān),因此,在計(jì)算正激式開關(guān)變壓器初、次級(jí)線圈的匝數(shù)比之前,首先要確定控制開關(guān)的占空比D,把占空比D確定之后,根據(jù)(1-78)式就可以計(jì)算出正激式開關(guān)變壓器的初、次級(jí)線圈的匝數(shù)比:
上式中,n為正激式開關(guān)變壓器次級(jí)線圈與初級(jí)線圈的匝數(shù)比,即:n = N2/N1 ;Uo為輸出直流電壓,Ui為變壓器初級(jí)輸入電壓,D為控制開關(guān)K的占空比。但考慮到變壓器和整流、濾波電路的工作效率,在實(shí)際使用中最好在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上再乘以一個(gè)大于1的系數(shù)(如1.1~1.3)。
在正常輸出負(fù)載的情況下,正激式開關(guān)電源電源的占空比D的值最好選在0.5左右。這樣,當(dāng)負(fù)載比較輕的時(shí)候,占空比D將小于0.5,雖然儲(chǔ)能濾波電感會(huì)出現(xiàn)斷流,儲(chǔ)能濾波電容充電時(shí)間縮短,放電時(shí)間增加,但由于輸出電流比較小,儲(chǔ)能濾波電容充、放電的電流也很小,所以在電容兩端產(chǎn)生的電壓紋波不會(huì)增大,反而減?。划?dāng)輸出負(fù)載比較重的時(shí)候,控制開關(guān)的占空比D會(huì)大于0.5,此時(shí)流過(guò)儲(chǔ)能濾波電感的電流為連續(xù)電流,輸出電流增大,儲(chǔ)能濾波電容充電的時(shí)間增加,放電的時(shí)間縮短,因此,電容兩端產(chǎn)生的電壓紋波也不會(huì)增大很多。
正激式開關(guān)變壓器次級(jí)反電動(dòng)勢(shì)能量吸收反饋線圈N3繞組與初線圈N1繞組的匝數(shù)比n一般為1 :1 ,即:N3/N1 = 1,或略大于1。當(dāng)n大于1時(shí),反饋線圈N3繞組與整流二極管D3的限幅保護(hù)作用和變壓器鐵芯的退磁作用都會(huì)增強(qiáng),但流過(guò)反饋線圈N3繞組和整流二極管D3的電流也會(huì)增大,從而會(huì)增加損耗;如果n小于1,反饋線圈N3繞組與整流二極管D3的限幅保護(hù)作用就會(huì)減弱,尖峰脈沖很容易把電源開關(guān)管擊穿,并且由于退磁作用減弱,變壓器鐵芯的剩磁Br將會(huì)增大,使變壓器容易飽和,或變壓器初級(jí)線圈的勵(lì)磁電流增加。
這里順便提一下,變壓器線圈漆包線的電流密度一般取每平方毫米為3~4安培比較合適。當(dāng)開關(guān)電源的工作頻率取得很高時(shí),電流密度最好取得小一些,或者用多股線代替單股線,以免電流在導(dǎo)體中產(chǎn)生趨膚效應(yīng),增大損耗使導(dǎo)線發(fā)熱
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