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.