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1、电气传动《自动化技术与应用》2008年第27卷第6期ElectricalDrives高频开关电源变压器的设计分析孙筱琳,李国勇,王志海(哈尔滨理工大学电气与电子工程学院,黑龙江哈尔滨150040)摘要:分析了高频变压器的电磁特性及设计方法,并给出2.5kw高频开关电源变压器的设计过程。关键词:高频功率变压器;开关电源;电磁分析中图分类号:TM433文献标识码:B文章编号:1003-7241(2008)06-0053-04TheTransformeroftheHigh-FrequencySwitchingPowerSupplySUNXiao-lin,LIGuo-yong,
2、WANGZhi-hai(Electrical&ElectronicEngineeringCollege,HarbinUniversityScienceandTechnology,Harbin150040China)Abstract:Theelectromagneticcharacteristicofthehighfrequencytransformerisanalyzedinthepaper.Thedesignexampleofthe2.5kwtransformerofahigh-frequencyswitchingpowersupplyisalsogiven.Keyw
3、ord:highfrequencytransformer;switchingmodepowersupply;electromagneticcharacteristic1引言djdj高频变压器作为能量传送、升降压及电气隔离的e1=-N1×e2=-N2×(1)dtdt磁性元件,在开关电源中非常重要。其性能好坏不仅关系到变压器本身的效率、发热等问题,而且将决定着整其中,N、N是变压器原、副边的匝数,e、e的正1212个逆变器的技术性能,甚至导致功率管的损坏和逆变失方向与φ的正方向符合右手螺旋关系。败。因此,研究变压器的设计方法还是十分必要的。假设磁通φ是磁芯并与一次、二次绕组
4、相交链的磁通,即主磁通。那么根据公式(1),有2高频变压器的电磁分析1j=-òe1dt(2)N1 空载时-e≈u,在高频开关电路中u波形如图2,111图1变压器原理图变压器一次绕组内流过电流i时,就会产生一个交1图2高频开关变压器原边电压变磁动势Ni,并建立交变磁通φ,如图1所示。那么根11据电磁感应定律,磁通φ将在一次和二次绕组内感生电从而可得u的表达式(一个周期):1动势e和e,且12TìsïU1,-£t£-ÄT2ï1ï-U1,0£t£Ts-ÄTu1=í2ï(3)收稿日期:2007-07-10ï0,懘梋ïîTechniquesofAutomation&Applic
5、ations
6、53《自动化技术与应用》2008年第27卷第6期电气传动ElectricalDrives其中,U为高频变压器的输入脉冲电压幅值(V),1设变压器的输出视在功率PT2=U2I2(7)T为开关工作周期(s),ΔT=(1/2-D)T;D为驱动smaxsmax式中,P、U、I分别是变压器副边输出的视在功T222脉冲的最大占空比。率(W),电压(V),电流(A)。从而有dj由电磁感应定律e2=-N2×知,次级绕组上感dtì1tTs应电势幅值为:ïò1U1dt,-£t£-ÄTN1-Ts2U1ï21ï1t1E2=N2×=2fsBmN2Ae×(8)j=í-òU1dt,0£
7、t£Ts-ÄTNDN021maxï1ï取Dmax=0.5(Dmax的实际值永远小于0.5),那么ïî0,懘梋E2=4fsBmN2Ae(9)ìU11Tsï(t+Ts),-£t£-ÄT忽略次级绕组中的铜阻,则ïN122ïU11(4)U=E=4fBNA(10)=í-t,0£t£Ts-ÄT22sm2eïN12ïUïN=2î0,其余从而2(11)4fsBmAe由公式(4)可以得到φ与时间的关系图为那么PT2=4fsBmN2Ae´I2(12)因为A=A·N,w2xs2那么I=J·A=J·A/N;(13)2xsw22故PT2=4fsBmAe×JAw2(14)式中,A为次级绕组裸导线截
8、面积(cm2),A为w2xs次级裸线面积(cm2);J是电流密度(A/cm2)。当次级绕组为多个时,次级总视在功率就是各次级绕组视在功率之和,即PT2=åPT2i(i=1,2,3,⋯)(15)同理,在忽略初级铜阻的情况下,图3高频变压器主磁通于是,有PT1=U1I1=4fsBmAe×JAw1(16)æTsöU11U1式中,PT1、U1、I1分别是变压器原边输出的视在功j(-DT)-jç-÷=jm-0=(Ts-ÄT)=DmaxTs=DBmAe(5)è2øN12N1率(W),电压(V),电流(A);式中,ΔBm为磁通密度增量(T),Ae为磁芯
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