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開關(guān)電源變壓器設(shè)計與材料選擇

發(fā)布時間：2018-08-02 責任編輯：wenwei

【導讀】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)制成一個高頻脈沖電壓。在反激式電路中，當開關(guān)管導通時，變壓器把電能轉(zhuǎn)換成磁場能儲存起來，當開關(guān)管截止時則釋放出來。在正激式電路中，當開關(guān)管導通時，輸入電壓直接向負載供給并把能量儲存在儲能電感中。當開關(guān)管截止時，再由儲能電感進行續(xù)流向負載傳遞。

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，時間10ms，步長10ns，穩(wěn)態(tài)時的波形：

t0時刻，MOS開通，初級電流線性上升。

t1時刻，MOS關(guān)斷，初級感應電動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模式時是一樣的。這一狀態(tài)維持到t2時刻結(jié)束。

t2時刻，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。那么因為二管電流降到了零，二極管也就自動截止了，次級相當于開路狀態(tài)，輸出電壓不再反射回初級了。由于此時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之一個諧振周期后又開始上升。由于RCD箝位電路的存在，這個振蕩是個阻尼振蕩，幅度越來越小。

t2到t3時刻，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

閉合回路中感應電流的方向，總是使得它所激發(fā)的磁場來”阻礙”引起感應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：

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，變壓器很快就會發(fā)熱燒毀。

假定有一個電磁鐵，通上一個單位電流的時候，產(chǎn)生的磁場感應強度是1，電流增加到2的時候，磁感應強度會增加到2.3，電流是5的時候，磁感應強度是7，但是電流到6的時候，磁感應強度還是7，如果進一步增加電流，磁感應強度都是7不再增加了，這時就說，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磁材料的磁芯, 可以利用其高導磁率的特點, 增大電感量減少匝數(shù)減小體積和提高效率. 但是由于導磁材料物理結(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度B與磁場強度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驗方法測得。B與H之間存在著非線性關(guān)系。當H逐漸增大時，B也增加，但上升緩慢（oa段）。當H繼續(xù)增大時，B急驟增加，幾乎成直線上升（ab段），當H進一步增大時，B的增加又變得緩慢，達到c點以后，H值即使再增加，B卻幾乎不再增加，即達到了飽和。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。