最新开关电源磁性元件磁心选择的计算.docx

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最新开关电源磁性元件磁心选择的计算

开关电源磁性元件磁心选择的计算

开关电源磁性元件磁心选择的计算-AP值法

1前言

开关电源以其体积小，重量轻，效率高，控制灵活可靠等优点成为现代广泛应用的电力变换装置。

开关电源磁性元件，如开关变压器和谐振电感等，是开关电源的核心组成部分之一。

设计合理、可靠的磁性元件，是设计性能优良的开关电源的基础。

所谓合理、可靠的磁性元件，就是在满足元件功能的情况下，能够长期安全工作，温升在允许的范围内，而且体积小，重量轻，材料节省。

磁性元件设计的关键，是选取合理的磁心。

因为磁性元件的主要部分就是磁心和线圈，一旦磁心确定，线圈也就基本确定了。

只有选取了适当的磁心，才能设计出合理、可靠的磁性元件。

选取磁心的算法有多种，如查表法[1]、磁心结构常数法（Y值法）[2]等。

而AP法是理论比较严密，磁心参数查找比较便利的一种方法。

2选择开关电源磁性元件磁心的材料、结构和必备的计算参数

2.1材料

变压器磁心选用高磁导率软磁材料制造，以减少磁滞损耗与磁心体积，提高励磁效率。

几种常用磁心材料的磁导率和适用频率范围可以用图1[3]粗略描述。

从图中可以看出，适用于开关电源工作频率段的磁心材料主要有铁氧体、铁粉磁心等。

其中，尤以Mn-Zn铁氧体综合特性最好，因此使用最广泛。

2.2铁氧体磁心结构和应用

铁氧体磁心已经形成系列标准结构与尺寸，规格品种繁多，常用的铁氧体磁心结构和形状有EE型、ETD（EC）型、EI型、U型、罐型、环型等，外形结构如图2。

1）EE型

特点：

窗口大，散热好；结构规则，便于组合使用。

缺点是电磁屏蔽性能差、干扰大。

适用：

较大功率开关电源变压器、电感，驱动变压器，脉冲变压器；

2）ETD（EC）型

特点：

窗口大，散热好；磁心截面积大，绕线匝数少，长度短，漏感小，铜损小。

适用：

较大功率开关电源变压器、电感，扼流圈，更适合高频使用。

3）EI型

特点：

与EE相似。

适用：

开关电源变压器，驱动变压器，脉冲变压器。

4）U型磁心

特点：

窗口面积大，适用于大功率型变压器或高压型变压器。

5）罐形磁心

特点：

结合面大，屏蔽好，漏感及分布电容小等。

缺点是结构复杂，引线困难，窗口小。

适用：

专门用于低损耗线圈设计的磁心，可以制作小功率、磁屏蔽要求高的变压器、电感等。

6）环型

特点：

闭合磁路，漏磁小。

缺点是绕制困难。

适用：

适于宽带或者脉冲变压器、驱动变压器、扼流圈。

用于开关电源的变压器和谐振电感的磁心，最常用EE型、ETD（EC）型等。

2.3工作磁通密度B值[2]。

设置合适的工作磁通密度B值，必须考虑二点：

一是当输入电压最大时，必须确保磁心不能饱和。

一旦饱和，线路内将会因过流引发开关器件和线包温升过高而烧坏。

二是损耗产生的热量要满足设计要求。

这就要求B值设置不能太高，否则磁心损耗增大，温升增高，而且还会造成激磁电流过大，波形畸变。

另一方面，磁性元件的功率P与磁通密度B和线圈电流密度J有关系：

 （2-1）

这说明，为了获得给定的输出功率，B或J选择的越大，则元件体积越小，重量越轻，成本越低。

这就要求，工作磁通密度B值的设置既不能过高，也不能过低，必须合理。

选择工作磁通密度B值的计算公式：

 （2-2）

其中， KB—磁感应强度系数；Bm—最大工作磁感应强度（T）。

磁感应强度系数KB与功率P、工作频率f、平均温升Δτ的关系见图3：

不同磁性材料最大工作磁感应强度Bm通常可以查阅表1取值。

2.4窗口占空系数K0

绕组铜导线截面积在磁心窗口面积中所占的比值称窗口占空系数K0，其数值取决于工作电压、导线粗细、绕制工艺等。

一般低压开关电源变压器、电感磁心窗口占空系数取值范围K0＝0.2-0.4。

典型取值K0＝0.4。

根据具体设计条件适当取值，如果线圈采用多股线卷绕时，选取较小值。

3AP值法[3]与算例

变压器传输功率Pt与工作频率f、最大磁通密度Bm、磁路有效截面积Ae等有关[4]：

 （3-1）

式中，C—变换器电路形式系数。

Wd—绕组设计参数，与电流密度J、窗口占空系数K0、绕组截面积AN等参数有关。

当确定了工作频率、电路形式、磁性材料以后，C、f、Bm就确定了，传输功率Pt就只和磁路截面积Ae与绕组参数Wd有关。

实际上Wd与磁心窗口面积Aw有关。

这说明，磁心的磁路截面积Ae和磁心窗口面积Aw的乘积对应于传输功率Pt。

所谓AP值，即定义为：

AP=Ae·AW。

AP值法是一种由传输功率或者储能计算出对应磁心AP值，进而确定磁心型号的方法。

这一方法适用于开关电源磁性元件磁心选择的计算。

3.1变压器设计AP值法公式推导

由变压器基本公式，感生电压：

 （3-2）

式中，U—感生电压；f—工作频率；N—匝数；Ae—磁心有效截面积；B—工作磁通密度；Kf—波形系数。

正弦波取值4.44；方波取值4。

由式（3-2），线圈匝数：

 （3-3）

磁心窗口有效面积K0AW为初级、次级绕组占据的面积之和，即：

 （3-4）

式中，K0—窗口占空系数；AW—磁心窗口面积；NP、NS—初级、次级匝数；—初级绕组导线截面积；—次级绕组导线截面积。

导线截面积AP与导线电流I以及电流密度J的关系：

 （3-5）

把（3-3）、（3-5）代入（3-4），得到

 （3-6）

等式两边同时乘以Ae，再除以K0，得到：

 （3-7）

电流密度J的选择，直接影响到温升。

而温升与变压器表面积和外形结构等有关。

一般地说，表面积越大，温升越小。

反映到与AP关系：

 （3-8）

式中，Kj—电流密度比例系数；X—指数，与磁心有关。

Kj、X可以通过查阅磁心结构常数表获得。

综合（3-7）、（3-8），得到变压器设计AP值计算公式：

 （3-9）

式中，变压器视在功率（计算功率）。

根据次级线路不同，开关电源的变压器可以由输出功率P0计算视在功率Pt。

1）全桥整流输出：

 （3-10）

2）全波整流输出：

 （3-11）

3）推挽结构变换器：

 （3-12）

3.2电感器设计AP值法公式推导

根据法拉第定律：

 （3-13）

式中，L—电感量；N—电感匝数；B—磁心工作磁通密度；—电感线圈电流变化率；—磁路磁通变化率；—磁心有效面积变化率。

对式（3-13）积分，得到：

 （3-14）

匝数：

 （3-15）

磁动势：

 （3-16）

由式（3-5）：

，代入式（3-16），有

 （3-17）

整理，得到：

 （3-18）

同样地，由式（3-8）、（3-18）得到电感器设计AP值计算公式：

 （3-19）

式中，LI2表征了电感的储能。

电感储能。

3.3磁心手册中参数AP值计算

上面计算的AP值，是选择磁心的参考依据。

由于磁心产品是标准系列化的，磁心实际的AP值不一定与计算值一致，选用磁心时，磁心实际AP值应稍大于计算AP值。

常用磁心面积Ae定义如图2，窗口面积AW的定义如图4。

通常，磁心厂家不直接提供AP值，通过查阅磁心厂家提供的选用手册，可以获得磁心的几何参数。

由几何参数计算AP值。

例如，查阅《南京新康达磁心选用手册》，可以查到EE55铁芯（外形结构及标注见图2中EE型），几何参数为：

A＝55.15，B＝27.5，C＝20.7，D＝17，E＝37.5，F＝18.8，Ae＝354，Le＝123

一对EE55磁心的窗口面积：

AW＝（E-D）×F＝（37.5-17）×18.8＝385.4mm2

磁心AP值：

AP＝Ae×AW＝3.54×3.854＝13.64cm4

3.4结构核算

磁心选择后，是否合适，首先要进行结构核算。

前面说过，磁心选定以后，按照有关公式，可以计算出原、次级匝数、导线截面积，设计出线圈骨架。

结构核算主要是验证所选磁心的窗口能否绕下线圈。

如果绕不下，磁心选择失败，应该适当放大规格重新计算；如果窗口余量太宽，说明磁心余量过大，应该缩小规格重新核算。

3.5温升核算

设计的磁性元件温升必须在要求范围之内。

通过对磁心和线圈损耗的计算，计算温升，如果超过要求，应该适当增加导线截面积或者放大规格重新选取磁心，再次核算。

3.6漏磁核算

对于电磁兼容要求较高的场所使用的电源，还要对磁性元件进行漏磁核算。

3.7算例

设计一台开关电源变压器。

电路形式：

全桥；输出电路整流形式：

全波；工作频率f＝40KHz；输入交流电压U1＝220V；输出电压U0=5V，电流I0=100A；最大占空比D=0.4；变压器效率η＝75％。

工作环境温度：

25℃，允许温升25℃。

设计步骤：

变压器次级采用中心抽头结构。

1）变压器的计算功率：

2）确定工作磁感应强度：

，查图3，KB=0.4，所以，

3）确定窗口占空系数：

低压开关电源变压器，磁心窗口占空系数取K0＝0.25

4）计算AP值

方波，波形系数Kf=4。

由于纹波频率较高，选用Mn-Zn铁氧体LP3铁心。

查表2，结构参数：

X=-0.12，Kj=366代入式（3-9）

查阅新康达磁心选用手册，可以选用一对EE55铁心。

AP=13.64cm4

5）输入电压整流后按340V计算，初级匝数：

N1取56匝。

次级匝数：

N2取1匝。

6）次级绕组电流有效值：

I2=67A；初级绕组电流有效值：

I1=1.58A。

7）导线截面积：

初级=0.6mm2；次级=26.4mm2

8）确定导线：

考虑趋肤效应因素，初级导线选用SQAJΦ0.29×15多股丝包线。

有效面积1.0mm2，外部直径1.2mm；次级导线采用0.3mm×29mm的T2（M）铜带，3层并绕，截面积26.1mm2。

9）线圈厚度：

10）窗口余量：

绕组线包与磁心边柱间距1.5mm，适当。

11）温升低于20℃，符合要求。

4结论

AP法是理论比较严密，磁心参数查找便利的一种磁心选用方法。

虽然由于材料、设计条件和要求的复杂性，不能保证一次选定而需要多次核算，但只要提出的设计要求和选取的参数合理，所选磁心还是比较容易通过核算的。

对于设计经验不足的设计师，AP法不失为一种比较好的方法。