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Forward变压器设计

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输入条件

最大输入电压Vinmax:72V

输出电压Vo:5V

输出电流Io:50A

开关频率fs:100kHz

效率η:0.92

最大占空比Dmax:0.41

填充系数Ku:0.2

最大磁通密度Bmax[1]:0.25T

电流密度J:5A/mm^2

[1]正激变换器的最大磁通密度与交流磁通密度相等,这是由拓扑的特性决定的。正激与反激虽然磁芯都工作在第一象限,但是又略有差异。

反激变压器磁芯的工作状态

反激变压器磁芯的工作特点:

  • 直流偏磁大,交流分量小,工作于局部磁化曲线上。

  • 峰值磁通密度受饱和磁通密度限制,因此选择尽可能高的饱和磁通密度材料,有利于减少这类磁芯的体积。

类似于反激变压器磁芯工作状态的还有Buck电感、Boost电感、Buck-Boost电感以及全桥、半桥、推挽的输出滤波电感。


正激变压器磁芯的工作状态

正激变压器磁芯的工作特点:

  • 磁芯工作在饱和磁感应 Bs和剩磁感应 Br之间,理论上讲△B=Bmax-Br。

  • 尽量选择Br小的磁芯材料,或者在磁芯中柱上开一个小气隙,降低Br。

类似于正激变压器磁芯工作状态的还有驱动变压器、直流脉冲电流互感器。


全桥变压器磁芯的工作状态:

全桥变压器磁芯的工作特点:

  • 磁芯双向交变磁化,磁感应在±Bm变化,在半周期内变化 2Bm。

  • 因为磁芯双向磁化,所以磁芯损耗较大,在选取最大磁通密度的时候需要权衡磁损和体积。Bmax选取的越大,磁芯体积越小,但是磁芯损耗越大;反之体积大,损耗小。

  • 这类磁芯会有直流偏置的问题,若正半周与负半周不完全对称,经过若干个周期后,磁芯就会饱和。解决的方法有变压器原边串隔直电容,或采用电流型控制。

类似于全桥变压器磁芯工作状态的还有推挽变压器、半桥变压器。

计算过程

1.计算峰值电流及原副边电流有效值

输入平均电流:

Idc=(Vo*Io)/(η*Vinmin)

Idc=10.568A

正激变压器原边电流波形也是梯形波,跟反激类似。所以电流计算公式都借用反激变压器设计中的公式,不再另行推导。

梯形波电流中心值:

Ia=Idc/Dmax=25.775A

原边电流有效值:

Iprms=Ia*(Dmax)1/2

Iprms=16.504A

副边电流有效值:

Isrms=Ia*(Dmax)1/2

Isrms=32.016A

说明一下正激变压器设计的时候没有跟之前变压器设计一样用纹波电流系数计算最大电流。计算最大电流的目的还是为了确定最大磁通密度,防止磁芯饱和,但是正激变压器中,Bmax=△B,故电磁感应定律就可以确定Bmax。

2.AP法选磁芯

AP值:

AP_cal=[(1+η)*Vinmin*Iprms*Dmax]/(Ku*Jc*f*2Bac)

AP_cal=37416mm^4

磁芯选取:PQ3535

磁芯有效截面积:

Ae=196mm^2

磁芯窗口面积:

Aw=220mm^2    

磁芯有效磁路长度:

le=87.9mm

磁芯体积:

Ve=19260mm^3

磁芯AP值:

AP_core=43120mm^4

3. 变压器匝数计算

原边匝数计算:

Np_cal=(Vinmin*Dmax)/(fs*△B*Ae)

取整后Np=6

副边匝数计算:

Ns1_cal=((Vo*Np)*(Vin*Dmax)

取整之后Ns=3

4. 最大占空比核算

实际的最大占空比:

Dmax=(Vo*Np)/(Vin*Ns)

Dmax=0.39

5. 最大磁通密度核算

交流磁通密度(最大磁通密度)计算:

△B=(Vin*Dmax)/(fs*Np*Ae)

△B=Bmax=0.25T


接下来就需要确认线规、填充系数和气隙了,这个跟之前的计算方法相同,就不再详细说明了


输出结果

磁芯尺寸:PQ3535

磁芯材料:DMR95或同等材料

原边绕组匝数:6

副边绕组匝数:3

最大磁密:0.25T

最大占空比:0.39

来源:电力电子技术与新能源
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首次发布时间:2023-05-12
最近编辑:11月前
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