变压器设计原理

变压器原理 變壓器設計原理講議 此處所指POWER材是指區別于通訊材料而做為功率傳輸變壓器之用,即通常所說的電源變壓器. 從其應用範圍或功效來講,以主變壓器為主,包括相關磁性元件,大體分為以下幾類: 一. 1.主變壓器(MAIN TRANSFORMER OR SWITCHING MODE TRANSFORMER).在一般電子電器產品中大多使用開關電源,即SWITCHING POWER,故其主變壓器又稱為SWITCHING MODE TRANSFORMER.台達目前生產的SWITCHING MODE TRANSFORMER主要用于MONITOR,TV,POWER SUPPLY,INVERTER,ADAPTOR,RACK POWER,PEOJECTOR,AMD等產品上.該類變壓器的共同特點是直流輸入,通過MOS管變成高頻方波,再通過變壓器輸出,得到所需電壓,通過控制開關管的佔空比,達到調整輸出電壓的目的,若輸出不需整流而以交流方式直接使用,則該種轉換器稱為INVERTER,若需整流成直流再使用,則稱為CONVERTER.從設計角度講,這兩種轉換器設計手法基本相同. 下面重點討論DC-DC CONVERTER的幾種工作方式,按其電路形式分為: 一.FORWORD,FLYBACK,PUSH-PULL(可演變成半橋/全橋式),具體請看設計實例: (3) FORWARD方式 (以重儀為例) 輸入電壓 48V (36~60V), 1.5A 額定輸出工作率55W. 最大輸出功率65W. 額定輸出電流5.0V 最大輸出電壓5.5V. 額定輸出電流11.0A F: 470kHz (450~500 kHz) δmax: 0.42 η:82% 設計步驟: 選擇PC50. 3F3. N49等材質 2 選PC50. EPC25. Ae: 46.4mm. Le: 59.2mm. BSAT: 3800G 1): 初級最大輸出電流 Ipp= Ic= 2POUT / VINmin= 2*6.5 / 36= 3.6A 8 2): Np= Vin*10 / (4Fbmax*Ae) 取Bmax=2000G 8 = 60*10 / (4*450K*2000G*0.464)= 4TS, 調整為6TS 3): Ns= Np *Vo / (Vi*δmax) = 4* (5.5+1)/(36*0.42)= 1.7TS 調整為2TS 調整為整圈數2TS 4): 反饋繞組. N= Np*(15+1) / (36*0.42)= 6*16/(36*0.42)= 6TS 5): 選擇繞組線徑 Np: Φ0.1*120C Ns: Φ0.1*200C N: Φ0.25 6): 由於為安全電壓.故不須包MARGIN TAPE. 7): Ns2= 26*(7*0.55) / (100*0.45)= 2TS 8): 計算控制繞組圈數 控制繞組一般為12~15V. 1W N= 26*(12+1)*0.55 / (100*0.45)= 4TS 則 9): 選擇線徑 Np: Φ0.5 Ns1: Φ0.6 Ns2: Φ0.4 N: Φ0.18 10): 畫出變壓器原理圖 在圖3-2為順向轉換器基本電路型式,其操作原理說明如下,當開關S關閉時,電流就會順向地流經電感器L,此時在負載上就會有帶極性的輸出電壓產生,如圖3-2(a)所示,由於輸入電壓極性的關係,二極體D此時是在逆向偏壓狀態.如圖3-2(b)所示,當開關S打開時,電感器L會改變磁場,二極體D則為順向偏壓狀態,因此在電容器C中就會有電流流過,因此在負載RL上輸出電壓的極性仍是相同的,一般我們稱此二極體D為”自由轉輪(free-wheeling)”或”飛輪(flywheel)”二極體. 由於此種轉換動作,使得輸出電源是一種連續形式而非脈動電流的形式,相對的由於開關S在ON/OFF之間改變,所以輸入電流則為不連續形式,也就是所謂的脈動電流形式. 圖3-2順向式或是buck轉換器(a)開關關閉(b)開關打開 3-2隔離順向式轉換器(THE ISOLATED FORWARD CONVERTER) 乍看之下,隔離順向式轉換器(isolated forward converted)的電路與返馳式轉換器的電路,似乎有几分相似,但是實際研究它,此二電路之間在原理操作上還有明顯的不同,在圖3-7所示,就是基本的順向式轉換器電路,與電路波形. 圖3-7隔離的順向轉換器與其波形.斜線陰影面積則為變壓器磁化電流 由於順向式轉換器中所使用的隔離元件,乃是一個真正的變壓器,因此為了獲致正確有效的能量轉移,必須在輸出端有電感器,做為次極感應的能量儲存元件.而變壓器的初極繞組與次極繞組(primary and secondary windings)有相同之極性,如圖中所示的圓圈符號,此電路的操作原理如下:當電晶體Q1于ON的狀態時,初極繞組漸漸會有電流流過,並將能量儲存於其中,由於變壓器次極繞組有相同的極性,此能量就會順向轉移至輸出,且同時經有順向偏壓二極體D2,儲存於電感器L中,此時的二極體D3為逆向偏壓狀態.當電晶體Q1轉換成OFF狀態時,變壓器的繞組電壓會反向,D2二極體此時就處於逆向偏壓的狀態,此時飛輪二極體(flywheel diode) D3則為順向偏壓,在輸出迴路上有導通電流流過,並經有電感器L,將能量傳導至負載上. 變壓器上的第三個繞組與二極體D1互相串聯在一起,可達到變壓器消磁(demagnetization)作用,如此可避免當電晶體Q1於OFF時,變壓器的磁能會轉回至輸入直流匯流排上.在圖3-7的波形中有黑色部份的區域,乃為磁化----消磁電流 (magnetizing-demagnetizing current) Imag=TδmaxVin / L (3-11) 在此Tδmax為Q1電晶體ON時的週期,L為輸出電感值(微亨利uH) 3-2.1順向式轉換器交換電晶體(The Forward Converter Switching Translstor) 在圖3-7中,由於變壓器的第三個繞組與二極體D1的作用,因此Q1電晶體OFF時,其集極電壓被限制為 Vce.max=2Vin (3-12) 我們由波形中亦可得知集極峰值電壓2Vin,恰為D1二極導在導通之時刻,其導通週期為Tδmax.我們再來看看圖中的波形,當電晶體在ON時,集極電流值的大小,就相當於返馳式轉換器的集極電流值,再加上淨磁化電流值,因此,集極的峰值電流,可寫成下式 Ic=I/ n + TδmaxVin / L (3-13) L 在此 n: 初極對次極的圈數比 I: 輸出電感器的電流,A L Tδmax: 電晶體ON時的週期 L: 輸出電感器,uH 吾人得知 Vout= TδmaxVin / n (3-14) 可是 Vin = nVout / Tδmax (3-15) 因此公式3-13可改為Ic= I / n= nTVout / L (3-16) L 假設磁化電流部份nTVout / L與集極峰值電流比較下其值非常小,可予以忽略,此時Ic電流值得大小就與3-1-1節所導出來的Ic值相同 Ic= I / n=6.2Pout / Vin (3-17) L 3-2.2順向式轉換器變壓器(The Forward Converter Transformer) 在設計順向式轉換器的變壓器時,需多加留意選擇適合的鐵芯大小與鐵芯的空氣間隙,以防鐵芯被飽和了.在第五章里我們會有變壓器的公式,來設計出適合的順向式變壓器.變壓器的鐵芯大小為 22 Volume=uuImagL / Bmax (3-18) 0e 在此 Imag=nTVout / L (3-19) 另外需注意的是電晶體開關δmax的工作週期需保持低於百分之五十以下,如此當經由第三繞組變壓器電壓會被定位,而輸入電壓之間會有伏特---秒(volt-seconds)積分作用產生,當Q1電晶體ON時,定位於某一準位,當Q1電晶體 OFF時,其值為零.如果工作週期大於百分之五十,也就是δ,0.5將會破壞伏特---秒(volt-seconds)積分作用的平衡,使得變壓器處于飽和狀態,也會產生極高的集極電流波尖,而破壞了轉換電晶體. 雖然變壓器的第三繞組與二極體的定位動作,能夠限制電晶體的集極峰值電壓至二倍的輸入直流電壓,但是有一點需留意的是,在繞製變壓器時,需將第三繞組與初極繞組緊密來繞製(使用雙線繞法),如此方可減少由漏電感產生的致命點壓波尖. 3-2.3基本順向式轉換器的變化型式(Variations of the Basic Forward Converter) 圖3-8兩個電晶體的順向轉換器限制每一電晶體的集極電壓至Vin值,這是由於二極體D1與D2的制止動作 如同在返馳式轉換器的情況,由於輸入電壓過高,電晶體承受較大的耐壓值,因此改用二個電晶體的變化型式,同理順向式轉換器亦可應用此種變化的型式,如圖3-8電路所示,此二個電晶體開關會同時ON或OFF,但是電晶體上所承受的電壓不會超過Vin以上. 順向式轉換器亦可應用於多種輸出的電路中,不過在每一輸出部份都需要有額外的二極體與扼流圈.在此需注意的是飛輪二極體至少要與主要的整流二極體有一樣的電流額定值,這是因為當電晶體OFF時,會有滿電流輸出,在圖3-9的電路,就是多重輸出順向轉換器(multiple-output forward converter) 圖3-9順向變壓器非常適合多重輸出,由於在每一輸出需要額外的二極體與扼流圈,因此在價格上會較返 馳式轉換器貴些 二.對于低頻變壓器,即矽鋼片變壓器,其設計方式則大不相同,具體請看設計實例: 三.針對POWER產品上一些輔助磁性元件.如:LINEARITY COIL,LINE,FILTER,PFC等一並給出設計實例: 四.總結: 名稱 鐵心形式 主要用途