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功率变压器的设计、制作与测试.pdf
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功率变压器的设计、制作与测试
摘 要 : 功率变压器主要用来传输各种信号 ( 单频 、 窄频 、 多频等 ) 的功率 , 是现代电子设备的重要组成
部分。本文主要介绍功率变压器的基本理论和设计方法,并结合当前发展状况,以单端反激式开关电源用
变压器为例,详细论述了变压器的具体设计、制作过程,并且对样品进行测试和对比分析,为探究有效的
测试分析方法和进一步的研究提供重要参考。
关键词:功率变压器 ; 设计 ; 测试
1
1
1
1 前言
功率变压器以传输各种信号的功率为已任,已成为现代电子设备的重要组成部分。功率变压器的应用
场合很广泛 , 有些用来传输单频信号的功率 , 如用在功率分配网络中的变压器 ; 有些用来传输窄频信号的功
率 , 如用做超声波发生器的输出变压器 ; 还有些用来传输宽频带信号的功率 , 如用做天线匹配变压器 [1 ~ 4>
。
随着开关电源的发展,为功率变压器的应用提供了更为广阔的发展空间。目前,我国生产的开关电源变压
器,尚处于仿制阶段,外形、结构、尺寸等都与引进的国外样品一个样,电性能参数也都以国外的产品说
明书为依据 。 虽然 , 目前国内已确定 TA 和 M μ 两种彩电机型中的开关电源变压器方案 , 并且已生产出彩电
用 KB 系列、 BDKC 系列、 CKDB-1 系列开关电源变压器,其中如 BDK1 系列设计已符合 UL 、 IEC 标准
,
但是要形成像 EI 、 C 型工频、高频电源变压器那样的设计、制造体系尚有难度,因此,开展优化设计等是
我们今后需努力的目标。这都使得功率变压器的设计和制作显得尤为重要,行之有效的测试和分析方法,
能为变压器的设计改进工作提供有力的保证 [5 , 6> 。本文详细介绍了功率变压器的基本理论和设计原理,
并按要求实际设计和制作了单端反激式功率变压器。系统探究了变压器静态参数测试的原理和方法,并对
测试结果进行了分析。
2
2
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2 功率变压器的基本理论
2.1
2.1
2.1
2.1 自感及互感系数
一个电路或线圈中的电流所激发的磁场通过自身的全磁通称为自感磁通,此磁通与自身电流成正比,
其比例系数称为自感系数。即 L= Ψ /I ,其中, L 为自感系数 (H) , Ψ 为自感磁通 (Wb) , I 为电流 (A) 。一个电
路或线圈中的电流所激发的磁场通过临近电路或线圈的全磁通称为互感磁通,该磁通与引起它的电流成正
比,其比例系数称为互感系数。即 M12= Ψ 2m/I1;M21= Ψ 1m/I2 。其中, M12 、 M21 为互感系数 (H) , Ψ 1m
、
Ψ 2m 为互感磁通, I1 、 I2 为第一、第二回路或线圈的电流 (A) 。
2.2
2.2
2.2
2.2
磁路
感性器件为了增大电感量、 Q 值和缩小体积,通常采用软磁材料作为磁芯,使磁力线较集中地通过线
圈内部 。 这种利用铁磁物质供磁力线通过的路径结构的总体称为磁路 。 磁路定律有两条 : (1) 对于磁路中任
一包围面 , 在任何时刻 , 穿过该包围面的各分支磁路段磁通量的代数和等于零 。 (2) 对于磁路中任一闭合路
径,在任一时刻,沿该闭合路径的各段磁路磁位差的代数和等于围绕此闭合路径的所有磁通势的代数和。
磁路也满足欧姆定律,即磁路中的磁通等于磁位差与磁路磁阻之比。
2.3
2.3
2.3
2.3 漏磁及损耗
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当含磁芯的线圈通过电流时,在磁芯中产生磁通,该磁通的绝大部分是在磁芯中流通形成闭合路径,
其中有一小部分是经过线圈周围介质形成闭合路径。前者称为主磁通,后者称为漏磁通。产生这一现象的
原因是,相对于电导体和电绝缘体之间的电导率差异程度而言,空气等周围介质的磁导率和磁芯的磁导率
之间的差异程度并不是太大。磁路系统的漏磁,对感性器件来说,漏磁形成的漏感越小越好,因为它给感
性器件带来一些不良影响 。 在感性器件样品设计与生产过程中 , 要想消除漏感影响 , 实际上是较为困难的
,
这跟工艺技术有很大关系。合理配置初级、次级绕组位置,选取合适的绕组电阻值,选择磁导率较小的绝
缘材料 , 确定合理的磁芯形态等 , 这些都可以减小漏感的影响 。 感性器件的磁路损耗即磁芯损耗 Pc , 包括
磁滞损耗 Ph 和涡流损耗 Pe 。磁滞回线所包围的面积就是磁滞损耗 Ph(W) ,一般可采用如下的经验公式计
算:
式中 ,
Bm
是磁感应强度最大值
(T);a
是指数 , 取
1.6
~
2.0;f
是工作频率
(Hz);V
是磁芯体积 ,
K
是系
数。涡流损耗一般可用下式计算:
其中,系数 Ke 取决于磁芯材料、形状、片厚 ;f 是工作频率 ;Bm 是磁感应强度最大值 ;V 是磁芯体积。
3
3
3
3 开关电源变压器设计的一般理论
(1) 磁芯选择。变压器功率与磁芯材料和结构尺寸有关,可根据变压器的设计功率和电磁感应定律 , 由
下式计算出结构参数
式中 , Ae 为磁芯芯柱有效截面积 (m2);Ac 为磁芯窗口面积 (m2);Pj 为变压器的计算功率
(VA)
, 单端反激
式开关电源变压器的 Pj=2P0(P0 为输出功率 );f 为开关电源频率 (Hz); 为变压器效率,一般取 0.6 ~ 0.8;j 为电
流密度,一般取 (2.5 ~ 3) × 106A/m2;Kc 为窗口利用系数,一般取 0.2 ~ 0.3 。
(2)
初级绕组电感量 。 单端反激开关电源变压器工作有调频 、 调宽两种情况 。 调频时 , 在时间
Ton
内变
压器储能,而在时间
Toff
内储能全部传给负载
;
在调宽时,
Ton
内储能,在
Toff
内储能未能全部释放完 , 还
有一部分能量在下一个
Ton
内就要映射到初级绕组上。因此,初级电感量计算公式是不同的。对于调频式
单端反激开关电源变压器,初级绕组电感量:
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对于调宽式单端反激开关电源变压器,初级绕组电感量:
其中 , L1 为初级绕组电感量 (H) , Uimin 为最小输入直流电压 (V) , σ 为占空系数 (%) , T 为周期 (s) , 初级
电感量应控制在 L1min
(3)
初级绕组匝数:
其中, Le 为有效磁路长度。为有效磁导率。对开气隙磁芯定义。
(4) 初、次级变比。初、次级变比为
式中 , Us2 为次级绕组电压 , 其值为 Us2=U0+Ur+UL 。 其中 , Ui 为输入电压 , U0 为输出直流电压 , U r
为续流二极管压降 ( 通常为 1V) , UL 为变压器漏感压降 ( 通常为 0.075 U0) 。 应当注意 , 若次级绕组为多绕组
,
则应分别求各自的变比 kn 。
(5) 次级绕组匝数:
N2i=niN1 (8)
其中, N2i 为第 i 次级绕组匝数, ni 为第 i 次级绕组变比, i=1 , 2 , … n , N1 为变压器初级绕组匝数。
(6) 初级绕组激磁电流:
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