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[专业知识] 基于AP法选择高频变压器磁心的公式推导及验证

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发表于 2013-4-28 10:26:58 | 显示全部楼层 |阅读模式
一S =CD,S 为磁心几何尺寸的截面积,c为舌
宽,D为磁心厚度。根据计算出的AP值,即可查
表找出所需磁心型号。下面介绍将AP法用于开关
电源高频变压器设计时的公式推导及验证方法。
1 高频变压器电路的波形参数分析
开关电源的电压及电流波形比较复杂,既
有输入正弦波、半波或全波整流波,又有矩形波
(PWM波形)、锯齿波(不连续电流模式的一次侧电
流波形)、梯形波(连续电流模式的一次侧电流波
形)等。高频变压器电路中有3个波形参数:波形
系数(K ),波形因数( ),波峰因数( )。
1)波形系数
为便于分析,在不考虑铜损的情况下给高
频变压器的输入端施加交变的正弦波电流,在一
次、二次绕组中就会产生感应电动势e。根据法拉
第电磁感应定律,e=dO/dt=d(NABsino)t)/dt=
NABo)coso~t。其中N为绕组匝数,A为变压器磁
心的截面积,B为交变电流产生的磁感应强度,角
频率09=2兀厂。正弦波的电压有效值为

= ×NAB×2兀厂=~/2rcNABf=4.44NABf(2)
2
在开关电源中定义正弦波的波形系数K =√
兀=4.44。利用傅里叶级数不难求出方波的波形系
数 :—4x—
/2
× —
2x/

27r
: 4。
2兀 2
2)波形因数k
为便于对方波、矩形波、三角波、锯齿波、
梯形波等周期性非正弦波形进行分析,需要引入
波形因数的概念。在电子测量领域定义的波形因
数与开关电源波形系数的定义有所不同,它表示
有效值电压(U )与平均值电压( )之比,为便于
和K 区分,这里用小写的 表示,有公式
岛=URMS/ (3)
以正弦波为例,
几庀 r一: 叩÷ :一 一一:1.111
2 兀4
这表明,K =4kf,二者相差4倍。
开关电源6种常见波形的参数见表l。因方波
和梯形波的平均值为零,故改用电压均绝值I I
l0
来代替。对于矩形波, 表示脉冲宽度,丁表示周
期,占空比D=t/T。
2用AP法(面积乘积法)选择磁心的公式推导
令一次绕组的有效值电压为U。,一次绕组的
匝数为Ⅳl,,所选磁心的交流磁通密度为B 。,磁通
量为 ,开关周期为T,开关频率为 一次侧电
流的波形系数为K ,磁心有效截面积为A。(单位是
cm ),有关系式
ⅣP’詈 ×l0 f4)
NPBAcA。Kff×10
考虑~1]Kf=4 关系式之后,可推导出
ⅣP= U1 xl04
(5)
同理,设二次绕组的有效值电压为U ,二次
绕组的匝数为 ,可得
Ⅳs= Us x104 (6)
设绕组的电流密度为 单位是A/cm ),导线
的截面积为s=I/J。令高频变压器的窗口面积利
用系数为K ,一次、二次绕组的有效值电流分别
为 ,绕组面积被完全利用时
Kw =ⅣP· +Ⅳs·了12 (7)

‘ + ‘了12 ㈦
再将(5)式和(6)式代入(8)式中整理后得到
U II1+UsI2
4K ×1 m ) (9)
w kiJB f 、 V
4 UI莉I1+esl2×l。 ×4
: ± 10 (10)
4KwkfJBAc/
高频变压器的视在功率表示一次绕组和二次
绕组所承受的总功率,即S=PI+PO。因电源效率
叩=Po/PI,故PI+Po=P。/ +-P。=(1+叩)P。/叩。代
入(10)式最终得到

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