1-6-3-2.正激式開關(guān)電源變壓器參數(shù)的計(jì)算
正激式開關(guān)電源變壓器參數(shù)的計(jì)算主要從這幾個(gè)方面來考慮。
一個(gè)是變壓器初級(jí)線圈的匝數(shù)和伏秒容量,伏秒容量越大變壓器的勵(lì)磁電流就越??;另一個(gè)是變壓器初、次級(jí)線圈的匝數(shù)比,以及變壓器各個(gè)繞組的額定輸入或輸出電流或功率。
關(guān)于開關(guān)電源變壓器的工作原理以及參數(shù)設(shè)計(jì)后面還要更詳細(xì)分析,這里只做比較簡(jiǎn)單的介紹。
1-6-3-2-1.正激式開關(guān)電源變壓器初級(jí)線圈匝數(shù)的計(jì)算
圖1-17中,當(dāng)輸入電壓Ui加于開關(guān)電源變壓器初級(jí)線圈的兩端,且變壓器的所有次級(jí)線圈均開路時(shí),流過變壓器的電流只有勵(lì)磁電流,變壓器鐵心中的磁通量全部都是由勵(lì)磁電流產(chǎn)生的。
當(dāng)控制開關(guān)接通以后,勵(lì)磁電流就會(huì)隨時(shí)間增加而增加,變壓器鐵心中的磁通量也隨時(shí)間增加而增加。
根據(jù)電磁感應(yīng)定理:
e1=L1di/dt=N1dф/dt=Ui——K接通期間(1-92)
式中E1為變壓器初級(jí)線圈產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì),L1為變壓器初級(jí)線圈的電感量,ф為變壓器鐵心中的磁通量,Ui為變壓器初級(jí)線圈的輸入電壓。
其中磁通量ф還可以表示為:
ф=S×B(1-93)
上式中,S為變壓器鐵心的導(dǎo)磁面積(單位:平方厘米),B為磁感應(yīng)強(qiáng)度,也稱磁感應(yīng)密度(單位:高斯),即:?jiǎn)挝幻娣e的磁通量。
把(1-93)式代入(1-92)式并進(jìn)行積分:
(1-95)式就是計(jì)算單激式開關(guān)電源變壓器初級(jí)線圈N1繞組匝數(shù)的公式。
式中,N1為變壓器初級(jí)線圈N1繞組的最少匝數(shù),S為變壓器鐵心的導(dǎo)磁面積(單位:平方厘米),Bm為變壓器鐵心的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度(單位:高斯),Br為變壓器鐵心的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度(單位:高斯),Br一般簡(jiǎn)稱剩磁,τ=Ton,為控制開關(guān)的接通時(shí)間,簡(jiǎn)稱脈沖寬度,或電源開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間的寬度(單位:秒),一般τ取值時(shí)要預(yù)留20%以上的余量,Ui為工電壓,單位為伏。
式中的指數(shù)是統(tǒng)一單位用的,選用不同單位,指數(shù)的值也不一樣,這里選用CGS單位制,即:長(zhǎng)度為厘米(cm),磁感應(yīng)強(qiáng)度為高斯(Gs),磁通單位為麥克斯韋(Mx)。
(1-95)式中,Ui×τ就是變壓器的伏秒容量,即:伏秒容量等于輸入脈沖電壓幅度與脈沖寬度的乘積,這里我們把伏秒容量用US來表示。
伏秒容量US表示:一個(gè)變壓器能夠承受多高的輸入電壓和多長(zhǎng)時(shí)間的沖擊。
在一定的變壓器伏秒容量條件下,輸入電壓越高,變壓器能夠承受沖擊的時(shí)間就越短,反之,輸入電壓越低,變壓器能夠承受沖擊的時(shí)間就越長(zhǎng);而在一定的工作電壓條件下,變壓器的伏秒容量越大,變壓器的鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度就越低,變壓器鐵心就更不容易飽和。
變壓器的伏秒容量與變壓器的體積以及功率無關(guān),而只與磁通的變化量有關(guān)。
必須指出Bm和Br都不是一個(gè)常量,當(dāng)流過變壓器初級(jí)線圈的電流很小時(shí),Bm是隨著電流增大而增大的,但當(dāng)電流再繼續(xù)增大時(shí),Bm將不能繼續(xù)增大,這種現(xiàn)象稱磁飽和。
變壓器要避免工作在磁飽和狀態(tài)。
為了防止脈沖變壓器飽和,一般開關(guān)變壓器都在磁回路中留一定的氣隙。
由于空氣的導(dǎo)磁率與鐵心的導(dǎo)磁率相差成千上萬倍,因此,只要在磁回路中留百分之一或幾百分之一的氣隙長(zhǎng)度,其磁阻或者磁動(dòng)勢(shì)將大部分都落在氣隙上,因此磁心也就很難飽和。
在沒有留氣隙的變壓器鐵心中的Bm和Br的值一般都很高,但兩者之間的差值卻很??;留有氣隙的變壓器鐵心,Bm和Br的值一般都要降低,但兩者之間的差值卻可以增大,氣隙留得越大,兩者之間的差值就越大,一般Bm可取1000~4000高斯,Br可取500~1000。
順便指出,變壓器鐵心的氣隙留得過大,變壓器初、次級(jí)線圈之間的耦合系數(shù)會(huì)降低,從而使變壓器初、次級(jí)線圈的漏感增大,降低工作效率,并且還容易產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)把電源開關(guān)管擊穿。
還有一些高導(dǎo)磁率、高磁通密度磁材料(如坡莫合金),這種變壓器鐵心的導(dǎo)磁率和Bm值都可達(dá)10000高斯以上,但這些高導(dǎo)磁率、高磁通密度磁材料一般只用于雙激式開關(guān)電源變壓器中。
在(1-95)式中雖然沒有看到變壓器初級(jí)線圈電感這個(gè)變量,但從(1-92)式可以求得:
L1=N1dф/di(1-96)
上式表示,變壓器初級(jí)線圈的電感量等于穿過變壓器初級(jí)線圈的總磁通,與流過變壓器初級(jí)線圈勵(lì)磁電流之比,另外,由于線圈之間有互感作用,即勵(lì)磁電流出了受輸入電壓的作用外,同時(shí)也受線圈電感量的影響,因此,變壓器線圈的電感量與變壓器線圈的匝數(shù)的平方成正比。
從(1-95)式和(1-96)式可以看出,變壓器初級(jí)線圈的匝數(shù)越多,伏秒容量和初級(jí)線圈的電感量也越大。
因此,對(duì)于正激式開關(guān)電源變壓器來說,如果不考慮變壓器初級(jí)線圈本身的電阻損耗,變壓器初級(jí)線圈的匝數(shù)是越多越好,電感量也是越大越好。
但在進(jìn)行變壓器設(shè)計(jì)的時(shí)候,還要對(duì)成本以及銅阻損耗等因素一起進(jìn)行考慮。
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