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開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)與材料選擇

發(fā)布時(shí)間：2018-08-02 責(zé)任編輯：wenwei

【導(dǎo)讀】開關(guān)電源變壓器是加入了開關(guān)管的電源變壓器，在電路中除了普通變壓器的電壓變換功能，還兼具絕緣隔離與功率傳送功能一般用在開關(guān)電源等涉及高頻電路的場合。

最基礎(chǔ)的反激式變壓器開關(guān)電源的簡單工作原理圖。

在這一電路系統(tǒng)中，Ui是開關(guān)電源的輸入電壓，T是開關(guān)變壓器，K是控制開關(guān)，C是儲能濾波電容，R是負(fù)載電阻。下圖是反激式變壓器開關(guān)電源的電壓輸出波形。

開關(guān)電源變壓器和開關(guān)管一起構(gòu)成一個(gè)自激（或他激）式的間歇振蕩器，從而把輸入直流電壓調(diào)制成一個(gè)高頻脈沖電壓。在反激式電路中，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，變壓器把電能轉(zhuǎn)換成磁場能儲存起來，當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)則釋放出來。在正激式電路中，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓直接向負(fù)載供給并把能量儲存在儲能電感中。當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，再由儲能電感進(jìn)行續(xù)流向負(fù)載傳遞。

變壓器的初級電感量是202uH，參與耦合的卻只有200uH，那么有2uH是漏感。次級是50uH，沒有漏感。變壓器的電感比是200：50，那么意味著變壓器的匝比NP/NS=2：1設(shè)定瞬態(tài)掃描，時(shí)間10ms，步長10ns，穩(wěn)態(tài)時(shí)的波形：

t0時(shí)刻，MOS開通，初級電流線性上升。

t1時(shí)刻，MOS關(guān)斷，初級感應(yīng)電動(dòng)勢耦合到次級向輸出電容轉(zhuǎn)移能量。漏感在MOS上產(chǎn)生電壓尖峰。輸出電壓通過繞組耦合，按照匝比關(guān)系反射到初級。這些和CCM模式時(shí)是一樣的。這一狀態(tài)維持到t2時(shí)刻結(jié)束。

t2時(shí)刻，次級二極管電流，也就是次級電感電流降到了零。這意味著磁芯中的能量已經(jīng)完全釋放了。那么因?yàn)槎茈娏鹘档搅肆悖O管也就自動(dòng)截止了，次級相當(dāng)于開路狀態(tài)，輸出電壓不再反射回初級了。由于此時(shí)MOS的Vds電壓高于輸入電壓，所以在電壓差的作用下，MOS的結(jié)電容和初級電感發(fā)生諧振。諧振電流給MOS的結(jié)電容放電。Vds電壓開始下降，經(jīng)過1/4之一個(gè)諧振周期后又開始上升。由于RCD箝位電路的存在，這個(gè)振蕩是個(gè)阻尼振蕩，幅度越來越小。

t2到t3時(shí)刻，變壓器是不向輸出電容輸送能量的。輸出完全靠輸出的儲能電容來維持。

t3時(shí)刻，MOS再次開通，由于這之前磁芯能量已經(jīng)完全釋放，電感電流為零。所以初級的電流是從零開始上升的。

繞組的電壓關(guān)系——變壓器基本特性

法拉第定律:

根據(jù)法拉第定律，得出輸入輸出電壓的關(guān)系：匝數(shù)比

楞次定律---變壓器的電流關(guān)系

閉合回路中感應(yīng)電流的方向，總是使得它所激發(fā)的磁場來”阻礙”引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。

可用作變壓器磁芯的軟磁材料

鐵氧體材料的選擇

選擇磁性材料的關(guān)鍵點(diǎn)：

Ａ：磁心的飽和磁密度

Ｂ：磁心的損耗(儲能與放能之差)

關(guān)于飽和磁密度：

磁飽和是磁性材料的一種物理特性，指的是導(dǎo)磁材料由于物理結(jié)構(gòu)的限制，所通過的磁通量無法無限增大，從而保持在一定數(shù)量的狀態(tài)。

磁飽和是一種磁性材料的物理特性，磁飽和產(chǎn)生后，在有些場合是有害的，但有些場合有時(shí)有益的。比方磁飽和穩(wěn)壓器，就是利用鐵心的磁飽和特性達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的的。電源變壓器，如果加上的電壓大大超過額定電壓，則電流劇增，變壓器很快就會(huì)發(fā)熱燒毀。

假定有一個(gè)電磁鐵，通上一個(gè)單位電流的時(shí)候，產(chǎn)生的磁場感應(yīng)強(qiáng)度是1，電流增加到2的時(shí)候，磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)增加到2.3，電流是5的時(shí)候，磁感應(yīng)強(qiáng)度是7，但是電流到6的時(shí)候，磁感應(yīng)強(qiáng)度還是7，如果進(jìn)一步增加電流，磁感應(yīng)強(qiáng)度都是7不再增加了，這時(shí)就說，電磁鐵產(chǎn)生了磁飽和。

有磁芯的電感器有磁飽和問題, 在電感器中加鐵氧體或其他導(dǎo)磁材料的磁芯, 可以利用其高導(dǎo)磁率的特點(diǎn), 增大電感量減少匝數(shù)減小體積和提高效率. 但是由于導(dǎo)磁材料物理結(jié)構(gòu)的限制, 通過的磁通量是不可以無限增大. 通過一定體積導(dǎo)磁材料的磁通量大到一定數(shù)量將不再增加, 不管你再增加電流或匝數(shù), 就達(dá)到磁飽和了. 尤其在有直流電流的回路中, 如果其直流電流已經(jīng)使磁芯飽和, 電流中的交流分量將不能再引起磁通量的變化. 電感器就失去了作用.

B-H曲線

用圖形來表示某種鐵磁材料在磁化過程中磁感強(qiáng)度B與磁場強(qiáng)度H之間關(guān)系的一種曲線，又叫B-H曲線。這種曲線可以通過實(shí)驗(yàn)方法測得。B與H之間存在著非線性關(guān)系。當(dāng)H逐漸增大時(shí)，B也增加，但上升緩慢（oa段）。當(dāng)H繼續(xù)增大時(shí)，B急驟增加，幾乎成直線上升（ab段），當(dāng)H進(jìn)一步增大時(shí)，B的增加又變得緩慢，達(dá)到c點(diǎn)以后，H值即使再增加，B卻幾乎不再增加，即達(dá)到了飽和。不同的鐵磁材料有著不同的磁化曲線，其B的飽和值也不相同。但同一種材料，其B的飽和值是一定的。

磁場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度均為表征磁場磁場強(qiáng)弱和方向的物理量

磁感應(yīng)強(qiáng)度是一個(gè)基本物理量,較容易理解,就是垂直穿過單位面積的磁力線的數(shù)量.磁感應(yīng)強(qiáng)度可通過儀器直接測量.磁感應(yīng)強(qiáng)度也稱磁通密度,或簡稱磁密.常用B表示.其單位是韋伯/平方米（Wb/m^2）或特斯拉（T）

磁場傳播需經(jīng)過介質(zhì)（包括真空）,介質(zhì)因磁化也會(huì)產(chǎn)生磁場,這部分磁場與源磁場疊加后產(chǎn)生另一磁場.或者說,一個(gè)磁場源在產(chǎn)生的磁場經(jīng)過介質(zhì)后,其磁場強(qiáng)弱和方向變化了

為了描述磁場源的特性,也為了方便數(shù)學(xué)推導(dǎo),引入一個(gè)與介質(zhì)無關(guān)的物理量H,H=B/u0-M,式中,u0為真空磁導(dǎo)率,M為介質(zhì)磁化強(qiáng)度.這個(gè)物理量,就是磁場強(qiáng)度.磁場強(qiáng)度的單位是安/米（A/m）。