開關(guān)電源磁性元件磁心選擇的計(jì)算

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1、開關(guān)電源磁性元件磁心選擇的計(jì)算-AP值法1前言開關(guān)電源以其體積小，重量輕，效率高，控制靈活可靠等優(yōu)點(diǎn)成為現(xiàn)代廣泛應(yīng)用的電力變換裝置。開關(guān)電源磁性元件，如開關(guān)變壓器和諧振電感等，是開關(guān)電源的核心組成部分之一。設(shè)計(jì)合理、可靠的磁性元件，是設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的開關(guān)電源的基礎(chǔ)。所謂合理、可靠的磁性元件，就是在滿足元件功能的情況下，能夠長(zhǎng)期安全工作，溫升在允許的范圍內(nèi)，而且體積小，重量輕，材料節(jié)省。磁性元件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，是選取合理的磁心。因?yàn)榇判栽闹饕糠志褪谴判暮途€圈，一旦磁心確定，線圈也就基本確定了。只有選取了適當(dāng)?shù)拇判?，才能設(shè)計(jì)出合理、可靠的磁性元件。選取磁心的算法有多種，如查表

2、法[1]、磁心結(jié)構(gòu)常數(shù)法（Y值法）[2]等。而AP法是理論比較嚴(yán)密，磁心參數(shù)查找比較便利的一種方法。2選擇開關(guān)電源磁性元件磁心的材料、結(jié)構(gòu)和必備的計(jì)算參數(shù)2.1材料變壓器磁心選用高磁導(dǎo)率軟磁材料制造，以減少磁滯損耗與磁心體積，提高勵(lì)磁效率。幾種常用磁心材料的磁導(dǎo)率和適用頻率范圍可以用圖1[3]粗略描述。從圖中可以看出，適用于開關(guān)電源工作頻率段的磁心材料主要有鐵氧體、鐵粉磁心等。其中，尤以Mn-Zn鐵氧體綜合特性最好，因此使用最廣泛。2.2鐵氧體磁心結(jié)構(gòu)和應(yīng)用鐵氧體磁心已經(jīng)形成系列標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)與尺寸，規(guī)格品種繁多，常用的鐵氧體磁心結(jié)構(gòu)和形狀有EE型、ETD（EC）型、EI型、U

3、型、罐型、環(huán)型等，外形結(jié)構(gòu)如圖2。1）EE型特點(diǎn)：窗口大，散熱好；結(jié)構(gòu)規(guī)則，便于組合使用。缺點(diǎn)是電磁屏蔽性能差、干擾大。適用：較大功率開關(guān)電源變壓器、電感，驅(qū)動(dòng)變壓器，脈沖變壓器；2）ETD（EC）型特點(diǎn)：窗口大，散熱好；磁心截面積大，繞線匝數(shù)少，長(zhǎng)度短，漏感小，銅損小。適用：較大功率開關(guān)電源變壓器、電感，扼流圈，更適合高頻使用。3）EI型特點(diǎn)：與EE相似。適用：開關(guān)電源變壓器，驅(qū)動(dòng)變壓器，脈沖變壓器。4）U型磁心特點(diǎn)：窗口面積大，適用于大功率型變壓器或高壓型變壓器。5）罐形磁心特點(diǎn)：結(jié)合面大，屏蔽好，漏感及分布電容小等。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，引線困難，窗口小。適用：專門用于低

4、損耗線圈設(shè)計(jì)的磁心，可以制作小功率、磁屏蔽要求高的變壓器、電感等。6）環(huán)型特點(diǎn)：閉合磁路，漏磁小。缺點(diǎn)是繞制困難。適用：適于寬帶或者脈沖變壓器、驅(qū)動(dòng)變壓器、扼流圈。用于開關(guān)電源的變壓器和諧振電感的磁心，最常用EE型、ETD（EC）型等。2.3工作磁通密度B值[2]。設(shè)置合適的工作磁通密度B值，必須考慮二點(diǎn)：一是當(dāng)輸入電壓最大時(shí)，必須確保磁心不能飽和。一旦飽和，線路內(nèi)將會(huì)因過(guò)流引發(fā)開關(guān)器件和線包溫升過(guò)高而燒壞。二是損耗產(chǎn)生的熱量要滿足設(shè)計(jì)要求。這就要求B值設(shè)置不能太高，否則磁心損耗增大，溫升增高，而且還會(huì)造成激磁電流過(guò)大，波形畸變。另一方面，磁性元件的功率P與磁通密度B和線

5、圈電流密度J有關(guān)系：?(2-1)這說(shuō)明，為了獲得給定的輸出功率，B或J選擇的越大，則元件體積越小，重量越輕，成本越低。這就要求，工作磁通密度B值的設(shè)置既不能過(guò)高，也不能過(guò)低，必須合理。選擇工作磁通密度B值的計(jì)算公式：?(2-2)其中，?KB—磁感應(yīng)強(qiáng)度系數(shù)；Bm—最大工作磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）。磁感應(yīng)強(qiáng)度系數(shù)KB與功率P、工作頻率f、平均溫升Δτ的關(guān)系見(jiàn)圖3：不同磁性材料最大工作磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm通?？梢圆殚啽?取值。2.4窗口占空系數(shù)K0繞組銅導(dǎo)線截面積在磁心窗口面積中所占的比值稱窗口占空系數(shù)K0，其數(shù)值取決于工作電壓、導(dǎo)線粗細(xì)、繞制工藝等。一般低壓開關(guān)電源變壓器、電感磁心窗口占

6、空系數(shù)取值范圍K0＝0.2-0.4。典型取值K0＝0.4。根據(jù)具體設(shè)計(jì)條件適當(dāng)取值，如果線圈采用多股線卷繞時(shí)，選取較小值。3AP值法[3]與算例變壓器傳輸功率Pt與工作頻率f、最大磁通密度Bm、磁路有效截面積Ae等有關(guān)[4]：?(3-1)式中，C—變換器電路形式系數(shù)。Wd—繞組設(shè)計(jì)參數(shù)，與電流密度J、窗口占空系數(shù)K0、繞組截面積AN等參數(shù)有關(guān)。當(dāng)確定了工作頻率、電路形式、磁性材料以后，C、f、Bm就確定了，傳輸功率Pt就只和磁路截面積Ae與繞組參數(shù)Wd有關(guān)。實(shí)際上Wd與磁心窗口面積Aw有關(guān)。這說(shuō)明，磁心的磁路截面積Ae和磁心窗口面積Aw的乘積對(duì)應(yīng)于傳輸功率Pt。所謂AP值

7、，即定義為：AP=Ae·AW。AP值法是一種由傳輸功率或者儲(chǔ)能計(jì)算出對(duì)應(yīng)磁心AP值，進(jìn)而確定磁心型號(hào)的方法。這一方法適用于開關(guān)電源磁性元件磁心選擇的計(jì)算。3.1變壓器設(shè)計(jì)AP值法公式推導(dǎo)由變壓器基本公式，感生電壓：?(3-2)式中，U—感生電壓；f—工作頻率；N—匝數(shù)；Ae—磁心有效截面積；B—工作磁通密度；Kf—波形系數(shù)。正弦波取值4.44；方波取值4。由式(3-2)，線圈匝數(shù)：?(3-3)磁心窗口有效面積K0AW為初級(jí)、次級(jí)繞組占據(jù)的面積之和，即：??(3-4)式中，K0—窗口占空系數(shù)；AW—磁心窗口面積；NP、NS—初級(jí)