1200W双管正激变换器设计之一——变压器设计
正激变换器通常使用无气隙的磁芯,电感值较高,初次级绕组峰值电流较小,因而铜损较小,开关管峰值电流较低,开关损耗较小,其高可靠高稳定性使得其在很多领域和苛刻环境得到应用.下面举例给大家分享下对正激变换器的设计方法:
规格:
输入电压Vin=400V(一般在输入端会有CCM APFC将输入电压升压在稳定的DC400V左右)
输出电压Vout=12V
输出功率Pout=1200W
效率η=85%
开关频率Fs=68KHz
最大占空比Dmax=0.35
第一,
第一,选择磁芯的材质
选择高μ低损,高Bs材质,一般常采用TDK PC40或同等材,其相关参数如下:
因为正激电路的磁芯单向磁化,要让磁芯不饱和,磁芯中的磁通密度最大变化量需满足ΔB<Bs-Br,得ΔB=390-55=335mT,但实际应用中由于温度效应和瞬变情况会引起Bs和Bs的变化,导致ΔB
的动态范围变小而出现饱和,因此,设计时需保留一定裕量,通常取60%~80%(Bs-Br), ΔBc 选得过高磁芯损耗会增加,易饱和,选得过小会使匝数增加,铜损增大,产品体积增大,通常选择60%(Bs-Br),则最大磁通变化量ΔB=(390-55)*0.6=201mT,即0.201T
第二,确定磁芯规格
根据公式AP=Aw*Ae=(Ps*104)/(2ΔB*Fs*J*Ku)
其中:
Aw为磁芯的铜窗口截面积(cm2),Ae为磁芯的有效截面积(cm2),Ps为变压器的视在功率(W),J为电流密度(A),Ku为铜窗口占用系数
对正激变换器,视在功率Ps=Pout/η+Pout
电流密度J根据不同的散热方式取值不同,一般采用300~600A/cm2,此处考虑到趋肤效应采用多股纱包线,取600A/cm2
铜窗口占用系数Ku取0.2
ΔB=0.20T,J=600A/cm2,Ku=0.2
代入公式得AP=[(1200/0.85+1200)*104]/(2*0.201*68*103*600*0.2)=7.962cm4
查磁芯规格书,选用磁芯ETD49,其相关参数如下:
ETD49的AP=Aw*Ae=375*213=79875mm4=7.9875cm4<7.962cm4,即,OK。
第三,计算匝比、匝数
1. 根据公式N=Np/Ns=Vin/Vout=(Vin*Dmax)/(Vo+Vf)
其中Vf为输出二极管正向压降,取0.8V
得匝比N=(400*0.35)/(12+0.8)=10.9375,
取匝比N=11验算最大占空比Dmax,
最大占空比Dmax=N(Vout+Vf)/Vin=11*(12+0.8)/400=0.352
2. 根据公式Np=Vin*Ton/(ΔB*Ae)
导通时间Ton=Dmax*Ts,周期Ts=1/Fs*106
得初级匝数
NP=[Vin*Dmax*(1/Fs*106)]/(ΔB*Ae)={400*0.352*[1/(68*103)*106]}/(0.201*213)=48.36Ts,取49Ts
3. 次级匝数Ns=Np/N=49/11=
4.45Ts
4. 取次级匝数Ns=5Ts验算初级匝数Np,
初级匝数Np=Ns*N=5*11=55Ts
考虑到输入电压较高,采用双管正激比采用单管正激可以大幅减小MOS的电压应力,无需消磁绕组。
7. 再通过初级匝数Np来验算最大磁通变化量ΔB,最大磁通变化量
ΔB=(Vin*Dmax*Ts)/(Np*Ae)={400*0.352*[1/(68*103)*106]}/(55*213)=0.1767T
根据ΔB+Br<Bs得0.1767+0.055=0.2317<0.39, OK
8. 根据L=N2*Al得,
初级电感量最小值Lmin=Np2*[AL*(1-0.25)]=552*[4440*(1-0.25)]/106=10.0mH
第四,计算各绕组线径
1. 输入电流Ip=Pout/(Vin*Dmax*η)=1200/(400*0.352*0.85)=10.0A
初级线圈电流有效值Ip_rms=Ip*SQRT(Dmax)=10.0*SQRT(0.352)=5.9A
则,初级线圈截面积Swp=Ip_rms/J=5.9/600=0.0098cm2=0.98mm2
多股纱包线单根直径为0.1mm,其单根面积为Sw=3.14*(0.1/2)2=0.00785mm2
得,初级所需纱包线股数Nwp=Swp/Sw=0.98/0.00785=124.8PCS,约125PCS。
即,初级线圈采用125根单根直径0.1mm的纱包线。
2. 次级线圈电流有效值Is_rms=Iout*SQRT(Dmax)=100*SQRT(0.352)=59.3A
次级线圈截面积Sws=Is_rms/J=59.3/600=0.0988cm2=9.88mm2
次级所需纱包线股数Nws=Sws/Sw=9.88/0.00785=1258.6PCS,约1260PCS。
即,次级线圈采用1260根单根直径0.1mm的纱包线。
通常纱包线的电流密度可取范围较大,一般为400~1200A/CM2,结合常用规格,取:
初级线圈采用120根单根直径0.1mm的纱包线绕55Ts;
次级线圈采用1200根单根直径0.1mm的纱包线绕5Ts。
1、频率只有68K,犯不着用利兹线,直接0.6mm的线4根并绕就好
2、次级电流算错了,有效值就是100A,峰值大约为170A,这个得用铜箔了
3、最好回头验算一下能不能绕下
次级线圈有效值电流是100A??
多股漆包线的电流密度最大可达1000~1200A/CM2,就算再大电流采用多股漆包线也是可以的,并不一定要用铜箔,按ETD49的幅宽,需采用0.6mm厚的铜箔才可以,0.6mm的铜箔并不一定比多股漆包线好绕吧
1000~1200A/CM2不就是10~12A/MM2吗?
能绕下当然用利兹线好点,铜箔厚了不好出线。
根据L=N2*Al得(请问这个公式怎么来的)
初级电感量最小值Lmin=Np2*[AL*(1-0.25)] (请问1-0.25是怎么来的)
实际证明ETD49做不了1200W,就算按楼主所说,电流密度可以12A/mm2,也要1000股0.1MM的丝包线,而且还只能走94A,绕5T,用掉39.25MM2,那么粗的线,加上间隙,加上外面的丝,磁芯利用率最多0.1,39.25/0.1=392.25MM2,已经超过磁芯面积了,绕不下的,ETD49撑死也就500W
好,有空自己也搞一台试试,刚好又450A的IGBT和PQ105的磁芯,器件够用了
既然电压是稳定的DC400V左右,最大占空比Dmax=0.35就不是合适的参数,可以适度加大,能降低铜损,提升效率。
在负载一定的情况下,加大占空比,可同时降低变压器原付边的电流有效值。
还可以降低整流二极管的反向电压;还可以降低输出电抗器的储能能量;还可以降低输出电压的纹波;还可以降低输出纹波电流。
还可以降低整流二极管正向电流有效值。
以上说的都是好处,有一个坏处是会稍微增加一点原边激磁电流,显然,好处很多,坏处很少。
整体效率肯定提高。
不仅仅是经验,通过计算就可以得到以上结论。