半桥电路变压器设计

8A充电器设计实例

设计一个功率变压器，用于33.3KHz的半桥电路，AC输入：90—130V 180—260V 输出：28V/8A 14V/0.1A

步骤1：选择磁芯材料。设计中选择LP3(等同PC40)或同等材料的磁芯。

步骤2：选择Bmax值。新康达公司的LP3材料100℃时饱和磁通密度为3900GS,这里选择800GS.50KHz以下时选1600GS

频率越高，该值越小，LP3数据在100KHz时取1000GS,对应的功耗是Pc=90kw/m3(80℃).而在100KHz取2000GS

对应的功耗是Pc=480kw/m3(80℃).

步骤3：最大工作初级电流。

直流输入电压Vdc为最小值时，开关管导通时间为半周期的80%，输入功率为Vdc与平均电流（0.8Ipft）的乘积，假设效率为80%（小于200khz的变换器都能达到此效率）

Po=0.8 Pin ,则

Pin=1.25 Po=Vdc0.8 Ipft

Ipft=1.56 Po/ Vdc=1.56*28*8/(90*1.4-20)

=3.3A

假设脉冲等效为平顶波，其幅值Ipft是斜坡中点处的电流值。初级绕组每半个周期只承担一个平顶波Ipft，因此其占空比为（0.8T/2）T=0.4,所以电流有效值为

Irms= Ipft*D0.5=0.632 Ipft

=2.08A

步骤4：初次级线径的计算

电流密度取J=300A/cm2,以保障线圈温升不大于25度，则

初级需要的导线面积为

Sp= Irms/j=2.08/3 mm2=0.69 mm2

Rp= (Sp/∏)0.5=0.47mm

线径的选取应该比计算的略大，以上线径是否要调整还要看趋肤深度：原则上线径直径小于2倍的趋肤深度（因为直径大，交流电阻加大）

△=66.2/(f0.5) mm 25℃

△=70/(f0.5) mm 50℃(估算值)

△=75/(f0.5) mm 100℃

以△=66.2/(f0.5) mm 25℃ 计算，

△ =70/(f0.5)mm=0.38mmm

2△=0.76mm

dp= 2Rp=0.94mm > 2△

所以取双线并绕，每根线直径为0.5mm.

类似的每个次级半绕组电流有效值为

Is1rms= Idc1*D0.5=8*0.632A=5.06A

S s1= Is1rms/j=5.06/3 mm2=1.69 mm2

Rs1= (Ss1/∏)0.5=0.73mm

Ds1= 2Rs1=1.46mm > 2△

所以取双线并绕，每根线直径为0.7mm.

Is2rms= Idc2*D0.5=0.2*0.632A=0.12A

S s2= Is2rms/j=0.12/3 mm2=0.04 mm2

Rs2= (Ss2/∏)0.5=0.11mm

Ds2= 2Rs2=0.22mm < 2△

取直径为0.3mm.

步骤5：计算AP值, 选择磁芯和窗口面积.

在计算AP值之前，首先计算视在功率Pt值（只有推挽电路有效）。

Pt=Pin+1.41P0=P0/n+1.41P0 只针对二次线圈具有中间抽头的全波电路,如果有多组输出，也是类似相加。

P∑=PO1(U)+PO2(U)+……POn(U)

无论一次还是二次线圈，只要有中间抽头，系数U就为1.41

否则为1.如本例的半桥电路，初级没有中间抽头，系数为1，次级有中间抽头，系数为1.41.如果输出电压很低，就要考虑输出二极管的压降(Vd)。PO=(VO+Vd)IO

下面计算AP值：

AP=Aw*Ae=Pt*104/(Kf*Ku*BAC*F*J) cm4

Pt:视在功率（W）

Kf:波形系数，取4

Ku:窗口利用率0.2—0.4

BAC:磁通变化量（T）

F:频率（Hz）

J:电流密度（A/CM2）

AP=(28*8/0.8+1.41*28*8+1.41*15*0.1)* 104/(4*0.3*0.08*33.3*103*300)

=6.2 cm4

查表得EE4220或EER4220. Ae=2.33 cm2，Aw=2.66 cm2

AP= Ae* Aw=2.33*2.66=6.19 cm4

由表格参数得对应的功耗是Pc=10kw/m3(80℃)=0.01w/cm3

磁芯损耗=6.19*0.01W=0.06W.

步骤6：初级线径圈数

Np=Vdc*104/(Kf*Bac*f*Ae)

=(1.41*90-20)* 104/(4*0.08*33.3*103*2.33)

=42.6 Ts

取42 Ts

Vdc为加在线圈的电压。

Kf为波形系数=4

Bac单位为T（这里取0.08T）

F为频率（Hz）

Ae为磁芯面积（cm2）

步骤6：次级线径圈数(中心抽头至两端)

Ns1=Np*VS1/Vp

=42*(28+1)/(1.41*90-20)

=11.5Ts

取12 Ts

Ns2=Np*VS2/Vp

=42*(15+1)/(1.41*90-20)

=6.33 Ts

取6 Ts

输入滤波电容的计算：

C=It/ΔV (UF)

I:负载电流（A)

t：电容器所能提供电流时间（ms）

ΔV：允许的峰峰涟波值（V）

电源总功率Pin=1.25P0(80%)=1.25*28*8=280W

最低直流输入电压Vin=180*1.4=252V

I=Pin/Vin=280/252=1.1A

假设所能允许的峰峰涟波值为30V，电容在每一半周要维持在电压单位。50Hz的交流线频率为10ms,则

C=It/ΔV=（1.1×10×10 -3）/30=366uf

取330uf

输出滤波电感设计：

铁粉心与MPP铁心一般的形状都为环行，由于具有以下的特性，1．高饱和磁通量密度，Bsat可高达8000G。

2．具有高能量储存容许能力。

3．本身具有空气间隙，不需在铁心上切割间隙。

4．有较多的尺寸大小可供选择。

L=Eout*Toff/(0.25*Iout)

Toff=0.5(1-(Eout/Ein))/F

Eout:滤波电感之后电压

Ein：滤波电感之前电压

很适合做功率扼流圈choke）

（

Toff：最大的Toff发生在最大输入线电源下。此时开光管Ton在最小值。

0.25Iout ：为保持低电感器峰值与良好的输出涟波，建议ΔI不超过 0.25Iout。

F：开关电源f(Khz)

Ein一般等于2倍的 Eout

Toff=0.5(1-0.5)/33=7.5us

L=28*7.5/(0.25*8)=105uH

计算LI 2 out的乘积:

LI2=0.105*8*8=6.72

使用Magnetics 公司的MPP铁心资料的图标法可得。

注

由图标查得铁硅铝70U,4-20

如用较高导磁率的材料则绕圈数更少。

计算圈数以获得所需之电感值。圈数可由下式计算求出：

即第二列AL+-8%

由此可得N=46T

如想减少圈数，可采用高磁导率，如125U

可得N=36T

由导线尺寸表的8A电流的导线直径为AWG14.(电流密度为400）

考虑到成本与趋肤效应最好有多股导线组成。

输出电容计算：

Cout=0.25*8/(8*33*103*0.1)=75UF

经验上我们要取大一点，并联电容器可获得极低的ESR.