最基础的反激式变压器开关电源的简单工作原理图。
在这一电路系统中,ui是开关电源的输入电压,t是开关变压器,k是控制开关,c是储能滤波电容,r是负载电阻。下图是反激式变压器开关电源的电压输出波形。
开关电源变压器和开关管一起构成一个自激(或他激)式的间歇振荡器,从而把输入直流电压调制成一个高频脉冲电压。在反激式电路中,当开关管导通时,变压器把电能转换成磁场能储存起来,当开关管截止时则释放出来。在正激式电路中,当开关管导通时,输入电压直接向负载供给并把能量储存在储能电感中。当开关管截止时,再由储能电感进行续流向负载传递。
变压器的初级电感量是202uh,参与耦合的却只有200uh,那么有2uh是漏感。次级是50uh,没有漏感。变压器的电感比是200:50,那么意味着变压器的匝比np/ns=2:1设定瞬态扫描,时间10ms,步长10ns,稳态时的波形:
t0时刻,mos开通,初级电流线性上升。
t1时刻,mos关断,初级感应电动势耦合到次级向输出电容转移能量。漏感在mos上产生电压尖峰。输出电压通过绕组耦合,按照匝比关系反射到初级。这些和ccm模式时是一样的。这一状态维持到t2时刻结束。
t2时刻,次级二极管电流,也就是次级电感电流降到了零。这意味着磁芯中的能量已经完全释放了。那么因为二管电流降到了零,二极管也就自动截止了,次级相当于开路状态,输出电压不再反射回初级了。由于此时mos的vds电压高于输入电压,所以在电压差的作用下,mos的结电容和初级电感发生谐振。谐振电流给mos的结电容放电。vds电压开始下降,经过1/4之一个谐振周期后又开始上升。由于rcd箝位电路的存在,这个振荡是个阻尼振荡,幅度越来越小。
t2到t3时刻,变压器是不向输出电容输送能量的。输出完全靠输出的储能电容来维持。
t3时刻,mos再次开通,由于这之前磁芯能量已经完全释放,电感电流为零。所以初级的电流是从零开始上升的。
绕组的电压关系——变压器基本特性
法拉第定律:
根据法拉第定律,得出输入输出电压的关系:匝数比
楞次定律---变压器的电流关系
闭合回路中感应电流的方向,总是使得它所激发的磁场来”阻碍”引起感应电流的磁通量的变化。
可用作变压器磁芯的软磁材料
选择磁性材料的关键点:
a:磁心的饱和磁密度
b:磁心的损耗(储能与放能之差)
关于饱和磁密度:
磁饱和是磁性材料的一种物理特性,指的是导磁材料由于物理结构的限制,所通过的磁通量无法无限增大,从而保持在一定数量的状态。
磁饱和是一种磁性材料的物理特性,磁饱和产生后,在有些场合是有害的,但有些场合有时有益的。比方磁饱和稳压器,就是利用铁心的磁饱和特性达到稳定电压的目的的。电源变压器,如果加上的电压大大超过额定电压,则电流剧增,变压器很快就会发热烧毁。
假定有一个电磁铁,通上一个单位电流的时候,产生的磁场感应强度是1,电流增加到2的时候,磁感应强度会增加到2.3,电流是5的时候,磁感应强度是7,但是电流到6的时候,磁感应强度还是7,如果进一步增加电流,磁感应强度都是7不再增加了,这时就说,电磁铁产生了磁饱和。
有磁芯的电感器有磁饱和问题, 在电感器中加铁氧体或其他导磁材料的磁芯, 可以利用其高导磁率的特点, 增大电感量减少匝数减小体积和提高效率. 但是由于导磁材料物理结构的限制, 通过的磁通量是不可以无限增大. 通过一定体积导磁材料的磁通量大到一定数量将不再增加, 不管你再增加电流或匝数, 就达到磁饱和了. 尤其在有直流电流的回路中, 如果其直流电流已经使磁芯饱和, 电流中的交流分量将不能再引起磁通量的变化. 电感器就失去了作用.
b-h曲线
用图形来表示某种铁磁材料在磁化过程中磁感强度b与磁场强度h之间关系的一种曲线,又叫b-h曲线。这种曲线可以通过实验方法测得。b与h之间存在着非线性关系。当h逐渐增大时,b也增加,但上升缓慢(oa段)。当h继续增大时,b急骤增加,几乎成直线上升(ab段),当h进一步增大时,b的增加又变得缓慢,达到c点以后,h值即使再增加,b却几乎不再增加,即达到了饱和。不同的铁磁材料有着不同的磁化曲线,其b的饱和值也不相同。但同一种材料,其b的饱和值是一定的。
磁场强度和磁感应强度均为表征磁场磁场强弱和方向的物理量
磁感应强度是一个基本物理量,较容易理解,就是垂直穿过单位面积的磁力线的数量.磁感应强度可通过仪器直接测量.磁感应强度也称磁通密度,或简称磁密.常用b表示.其单位是韦伯/平方米(wb/m^2)或特斯拉(t)
磁场传播需经过介质(包括真空),介质因磁化也会产生磁场,这部分磁场与源磁场叠加后产生另一磁场.或者说,一个磁场源在产生的磁场经过介质后,其磁场强弱和方向变化了
为了描述磁场源的特性,也为了方便数学推导,引入一个与介质无关的物理量h,h=b/u0-m,式中,u0为真空磁导率,m为介质磁化强度.这个物理量,就是磁场强度.磁场强度的单位是安/米(a/m)。
简单的说:b是结果(最后产生的磁感应结果)、h是外因(外界对介质施加单的磁的强度)。
磁损曲线
磁心的bmax的选择方法
f
f*b: 表现一个材料在一个频率下所能通过的b的能力
a.频率提高, 磁能材料能够通过功率的能力提高
b.频率提高到一定程度,会有一个更好的高频材料来接替
一般情况下,需通过设计保证bm(最大磁通密度)小于或远小于bs(饱和磁通密度),而工作磁通密度是-bm~bm间的任意一个数值。特殊情况下,可有bm=bs
一般情况下
fs300khz, bmax取决磁损pcv
假设频率fs=400khz,取单位磁损为300mw/cc,材质n49, bmax=32000hzt/400khz=80mt
fs在150k至300k之间时, bs和pcv都考虑,取其小值.
假设频率fs=200khz, 材料3c96,pcv<300mw/cc
b1=0.5*80%*bs=136mt;b2=28000hzt/200khz=140mt,
取b1和b2中的小值作为bmax=136mt
选择磁心的形状
ee,er,ec,etd 常规铁心,价格低廉,窗口面积大,大功率时易作安规. 小功率的辅助电源,大功率电源,应用于功率密度较低的场合
efd 平面化的ee类铁心 应用情况同上,应用于功率密度较低,且要求low profile,表贴或沉降式结构
pq,rm 窗口面积较ee类的小,而ae较ee类的大, 应用于高功率密度的条件.也适于作输出电感或pfc电感窗口开口较小,不适合作很多路输出变压器
形状分类 特点 适用情况
pj potcore的改进版,ae大窗口小,磁屏蔽效果好;高度较矮 用于高功率密度且对高度有一定要求的变压器设计;不适合飞线,不适合使用margin tape做安规
eq pj,pq的改进版,窗口条件比pj好,高度和ae比pq好;磁屏蔽效果不如pj
planar ee 低高度,ae大,窗口小;中柱长宽比大,不适于绕线 应用于pcb绕组等预制好的绕组的变压器和电感器
形状分类 特点 适用情况
导线:
线架 bobbin:
顾名思义,bobbin(线架或骨架) 在变压器中起支撑 coil(线圈) 的作用。
bobbin 的分类:
1、依据变压器的性质要求不同,按材质分为:热塑性材料,热固性材料。
热塑性材料我们常用的有尼龙(nylon) ,塑料(pet) ,塑料( pbt) 三种。热
固性材料我们常用到的有电木(pm) 。
2、依据变压器的形状不同,bobbin 又分为立式,卧式,子母式,抽屉式,单元格,双格。
特性及用途:
1、电木(pm) :热固性材料,稳定性高,不易变形,耐温 150°c,可承受 370°c 的高
温。表面光滑,易碎,不能回收。用于耐温较高的变压器。
2、尼龙(nylon) :热塑性材料,工程塑料,延展性好,不易碎,耐温 115°c,易吸水,使用前先用 80°c 的温度烘烤,使固性稳定。表面光滑,半透明,不易碎。一般用于耐油性强的变压器上。
3、塑料(pet) :热塑性材料,510 系统,硬性高,易成形。不易变形,耐温 170°c,表面不光滑,不易碎,一般用于绕线管。
4、塑料(pbt) :热塑性材料,较软,不易变形,不耐高温(160°c) ,表面不光滑,不易碎一般用于绕线管
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