单管正激变换器参数确定文档格式.docx

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RtCt

1.8

312

1210100010

=150KHZ

（3-1）

所以6脚的输出频率（驱动频率）为：

（3-2）

1

ffosc-75KHZ

2

3.3主电路设计

主电路的设计主要包括变压器、电感和MOS管的设计。

3.3.1主电路中变压器的设计

变压器是利用互感应实现能量或信号传输的器件。

在开关电源主电路中，变压器用于输入输出之间隔离及电压变换。

开关电源中使用磁性元件比较多，这其中包括作为开关电源核心的高频功率变压器、驱动变压器、电流互感器、低压辅助电源变压器以及各种滤波电感等，通常把这些统称为电子变压器，他们是电力电子电路中储能、转换以及隔离所必备的元件。

磁性元器件在整个的开关电源中所占的比重很大，对于开关电源的质量、体积、成本以及效率都有很显著的影响，特别是高频功率变压器，它对于整个开关电源的性能更是有着举足轻重的影响

[16]

o

高频变压器具有电压变化、电气隔离和能量传输三项主要功能，是开关电源的核心部件，它的设计和计算也是最复杂的。

在能量传输方面，高频变压器有两种方式：

一是变压器传输方式，即加在一次绕组上的电压，在磁心中产生了磁通变化，使二次绕组产生感应电压，从而达到使能量从变压器的一次侧传输到二次侧的目的；

另一种是电感器传输方式，即在一次绕组上施加电压，会产生励磁电流并且使磁心磁化，并将电能转变成磁能存储起来，而后通过去磁可以使二次绕组产生感应电压，从而达到将磁能变换为电能释放给负载的效果，下面就是变压

器设计的过程［17］。

1.铁芯材料的选取

在设计高频变压器的时候，应当首先从选择磁心开始，然后再确定绕组的匝数。

在设计的过程中，需要了解与磁心相关的多种特性以及参数，并且需要进行

多种参数的计算和校验。

不同工作频率的变压器，可以选择不同磁性材料的铁芯和不同的铁芯规格。

选择铁芯的材料和规格，除了根据变压器的工作频率和功率容量以外，还要考虑铁芯的损耗和温升，并在合理控制变压器体积的基础上，尽量降低其成本。

目前广泛应用的磁性材料主要有硅钢片、铁氧体、非晶态合金、微晶合金和铁粉芯等。

铁氧体的电阻率可以做得很高，因此高频损耗小，工作频率高。

另外铁氧体工艺性能好，价格便宜，性价比高。

比较适应十中小功率的脉冲变压器的设计。

本次设计选用的是磁性材料是PC40,其Bs=0.39T,Br=0.055T，所以取

B=0.25:

:

Bs-Br=0.335T，满足条件。

2.AP公式

在开关电源中，高频变压器的磁心尺寸的选择与其工作频率、输出功率、电路结构以及绕组匝数等许多的因素都有关系，是整个高频变压器设计工作的难点。

而在设计高频变压器的时候，面积乘积法是最为常用的方法，通常也简称AP法。

由电磁感应定律得：

Lf

d-“NAedB

N

dtdtdt

“VindtVinDTNp二

AedBAMB

另外从窗口能否够用得：

prms

J

Np二KpKuAw

（3-3）

3-4）

3-5）

其中J为电流密度，Iprms为电流有效值，0：

：

Ku：

1，Ku为填充系数，Kp为原

边面积系数。

所以

从而

KpKuAwJ

令Ap=AeAw,

VinD

AeBf

KuAwJ

1prms

Ap=

VinDIprmsfKpKuBJ

3-6）

（3-7）

3-8）

按照Ap值选择一个比实际所需Ap大的变压器型号，式中Ae为铁芯磁路面积，Aw为铁芯窗口面积，厶B为铁芯材料所允许的最大磁通密度的变化范围，f为开关频率。

令iin（avg）-iprmsKt,Kt为均方根电流系数。

（3-9）

VinDIin（avg）PinD

Ap二fKpKuKt：

BJ==BfKpKuKtJ

令KpKuKt=K为拓扑系数，再令D=Dmax=0.5温升30oC寸，

J=450104Ap4125A/m2，Ap取cm4

因此

0.5Pin

'

Z4n125

也Bfk•450汉10Ap.

4cm

fJ143

（3-10）

A11.1Pin4

Ap=cm

、、ABfK丿

假设变压器的效率为85%所以本次设计的变压器的实际所需Ap值:

111x60

0.85

1.143

3

0.2575100.114

4

二0.3176cm

（3-11）

为了使铜线能够很好地绕制，本次设计的变压器选择的型号是EE40（Ae为

1.28cm2，Aw为1.08mm），其Ap=1.38cn｛值远大于实际制作的变压器的，所以满足条件

3.确定变压器的原副边匝数

由于UC384的最大占空比为0.5，所以本次设计先假设Dmax=0.4由电磁感应定律得：

Vin

NPAedB

dt

（3-12）

（3-13）

“VindtVinDT

Np=

AedBA"

B

又由于取ABm=0.25T，所以原边匝数:

Np

57疋0.4

12810』0.2575103

=9.5

（3-14）

变压器的匝数比:

NpVin（min）Dmax410.4

n=

NsVoVfwd121

（3-15）

=1.26154

所以副边匝数：

9.5

-7.53

1.26154

（3-16）

由于匝数是整数，所以取Ns为8匝，重新核算原边匝数Np：

Np=Nsn=10.09,所以

取Np为11匝。

重新核算实际的占空比，由电路一个周期内，通过电感的电流代数和为零得：

[Ns

Vjn-Vfwd-VODmaxT=2。

+Vfwd【1-DmaxT（3-17）（Np丿

其中，Vfwd为二极管的压降

.Dmax=0.436<

0.5，满足要求。

4.原边线径Dp

由于温升30oC时,

（3-18）

J=4.5Ap°

125A/mm2=4.08A/mm2

所以可以选择J=4.00A/mm

原边电流有效值:

乎咕•DmaX=2.4A

（3-19）

所以原边横截面积:

Ap

血=0.6mm2

（3-20）

（3-21）

所以原边线径:

=0.8743mm

Tt

而集肤效应的集肤为:

7575

=0.2738mm

（3-22）

°

『P

JfJ75X103

且D>

2，所以要考虑集肤效应。

可以选择多股并绕，所以选择线径为0.53mm勺

铜线，由于08743=2.7，即原边采用线径为0.53的铜线3股并绕。

V0.53丿

5.副边线径Ds

副边的电流有效值：

所以副边的横截面积:

因此副边的线径：

f

Isrms二Ion.Dmax

=3.30A

As=0.825mm2

Ds=（懊=1.0252mm

VJi

（3-23）

（3-24）

（3-25）

由于线径很大，所以要考虑集肤效应，可以也选择线径为0.53mm的铜线，由于

侦52

1=3.7，即畐他采用线径为0.53mm勺铜线4股并绕。

0.53

6.磁复位绕组

磁复位绕组绕组取与原边相同的匝数，即11匝，可以取线径为0.33mm勺铜线，而且要与原边并绕，这样耦合系数接近1。

综上本次主电路中的变压器参数为：

原边为11匝，采用线径为0.53的铜线3股并绕；

副边为8匝，采用线径为0.53mm的铜线4股并绕；

磁复位为11匝，采用线径为0.33mm的铜线，图3-2是实际制作完成的变压器。

图3-2实际制作完成的变压器

3.3.2主电路中电感的设计

电感量L也称作自感系数，是表示电感组件自感应能力的一种物理量.当通过一个线圈磁通（即通过某一面积的磁力线数）发生变化时，线圈中便会产生电势这是电磁感应现象.所产生的电势称感应电势，电势大小正比于磁通变化的速度

和线圈匝数.当线圈中通过变化的电流时，线圈产生的磁通也要变化，磁通掠过线圈,线圈两端便产生感应电势，这便是自感应现象，自感电势的方向总是阻止电流变化的,犹如线圈具有惯性，这种电磁惯性的大小就用电感量L来表示丄的大小与线圈匝数,尺寸和导磁材料均有关，采用硅钢片或铁氧体作线圈铁芯，可以较小的匝数得到较大的电感量丄的基本单位为H（亨）实际用得较多的单位为mH毫亨）和uH（微亨）1H=103mH=106uH

1.电感的感值

本次设计选择的频率f=75KHZ取临界连续时，I。

。

叮0%lon，所以

"

Ns

Vin-V

fwd

-VoDT

1-DT

（3-26）

Np,V°

Vfwd

NT•

VN

\Dmin=*—=0.304，而Dmax=0.436所以变换器工作在连续区

Vin（max）Ns

而临界连续时，

1oc

-^：

iL

lVoVfwd1_D

2Lf

Ll（max）

VoVfwd1「Dmin=1183H

20.1IoCf

（3-27）

所以取L=119」H

2.电感的线径

流过电感的电流有效值

1lrms丸5A,而J=4A/mm

所以电感线圈的横截面积：

AL二_^rms=0.8mm2（3-28）

线径：

Dl=•4Al=1.010mm,由于要考虑集肤效应，所以仍然采用0.53mm

的铜线绕制，由于‘匕010=3.63，所以采用4股并绕。

<

0.53丿

3.电感的匝数N_

流过电感的峰值电流:

1.

iIpk（max）=丨on2匚L（max）（3-28）

=5.5A

由电磁感应得：

匚,diLNLAedB

E二L

dtdt

.Nl=LdiLLiLpk（3-29）

AedBAeBm

119x55

二1195.5二20.4

1280.25

所以取21匝

4.选磁芯

磁芯材料仍然选用PC40按照变压器的匝数和线径，骨架采用EE40仍然满足条件。

综上，电感为21匝，采用0.53mm勺铜线4股并绕。

3.3.3主电路中MO管的选择

MOSFE功率开关管具有输入阻抗极高、通态电阻低、开关速度快、耐压高、成本低廉等优点，是一种极有发展前途的新型MOSFE功率器件。

MOSFE功率开关管是三端电压控制型开关器件，属于绝缘栅型场效应管，而双极型晶体管是三端电流控制型开关器件。

在开关电源的电路中，MOSFE功率开关管的使用与双极型晶体管相似，当栅极有驱动电压时，MOSFE功率开关管完全导通，驱动电压需要满足尽可能的减小导通压降的要求。

当栅极没有驱动电压时，MOSFE功率开关管关断，此时，MOSFBT关管承受输入电压或其数值的几倍。

MOSFE功率开关管的主要特点是在沟道与金属栅极之间存在一层二氧化硅的绝缘层，因此它具有相当高的输入电阻，其值最高时可达lO^1