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 高頻變壓器設計時選擇磁芯的兩種方法 

Two Method for Select Core in Design of High Freguency Transformers 在高頻變壓器設計時，首先遇到的問題，便是選擇能夠滿足設計要求和使用要求的磁芯。 通常可以采取下面介紹的兩種方法：面積乘積法和幾何尺寸參數(shù)法。這兩種方法的區(qū)別在于：面積乘積法是把導線的電流密度

高頻變壓器設計時選擇磁芯的兩種方法
         Two Method for Select Core in Design of High Freguency Transformers
   在高頻變壓器設計時，首先遇到的問題，便是選擇能夠滿足設計要求和使用要求的磁芯。

   通常可以采取下面介紹的兩種方法：面積乘積法和幾何尺寸參數(shù)法。這兩種方法的區(qū)別在于：面積乘積法是把導線的電流密度作為設計參數(shù)，幾何尺寸參數(shù)法則是把繞組線圈的損耗，即銅損作為設計參數(shù)。
1 面積乘積法
   這里講的面積乘積。是指磁芯的可繞線的窗口面積和磁芯的截面積，這兩個面積的乘積。高頻變壓器磁芯 骨架工廠 13712868548  東莞揚通電子有限公司  高頻骨架 電木骨架 貼片骨架  多槽骨架 
   表示形式為WaAe，有些講義和書本上簡寫為Ap，單位為        。
   根據(jù)法拉第定律，我們有：
   
   窗口面積利用情況有：
   KWα=NAw
   變壓器有初級、次級兩個繞組。因此有：
   KWα=2NAw
   或
   0.5KWα=NAw
   我們知道：
   Aw=
   而電流有效值
   I=Ip
   得到以下關系式：
   0.5KWα=
   即：
   
   于是就有如下式：
   
   由于：EδIp=Pi  又有：        Pi=
   最后得到如下公式：
   
   這個公式適用于單端變壓器，如正激式和反激式。
   δ＜0.5，Bm-T,K-0.3～0.4，η-0.8～0.9,J-A/。推挽式的公式則為：
   
   半橋式的公式則為：
   
   這里的δ＞0.5，例如0.8～0.9。
   單端變壓器如正激式和反激式：Bm=△B=Bs-Br。
   雙端變壓器如推挽式、半橋式和橋式：Bm=2Bpk。
全橋式公式與推挽式相同，但δ＞0.5，例如0.8～0.9。
在J=400A/，K=0.4，η=0.8，δ=0.4（單端變壓器），δ=0.8（雙端變壓器）。公式簡化如下：
   （單端變壓器）
   （推挽式）
   （半橋式和橋式）
2 幾何尺寸參數(shù)法
   這個方法是把繞組線圈的損耗，即銅損作為設計參數(shù)。因此，公式正是由計算繞組線圈的銅損的公式演變而來的。
   。變壓器有兩個繞組
這里為初級繞組電阻，
   為次級繞組電阻。

高頻變壓器磁芯 骨架 磁環(huán) 底座 白殼  貼片骨架 東莞市揚通電子有限公司  0769-86309483   13712868548  
   由于
   
   因此
   
   每個繞組各占一半窗口面積，全部繞組線圈的銅損的公式：
   
   公式簡化：
   
   變換兩個參數(shù)的位置，公式變成：
   
   初級安匝與次級安匝相等的關系，以及電流有效值同峰值的關系。
   
   上式進一步演化成：
   
   同理（見面積乘積法）有：
   
   將兩個式子代入，得出公式：
   
   與面積乘積法的形式相一致，公式成為如下形式：
   
   此公式適合各種電路形式。Bm取值同面積乘積法。
3 實際舉例
   單端反激式電路。輸出功率Po=34W，輸入最小直流電壓Vi(min)=230V，輸入電流峰值1.18A，占空比=0.25，頻率f=68kHz，t=14.7μs，初級電感L p=716μH，變壓器效率η=0.8，電流密度J=400A/cm，Bm=0.11T，K=0.4，Pcu=0.34W。
   
   
   如采用簡化公式，要將99改為78。因為原公式中δ=0.4，現(xiàn)在δ=0.25，所以有：
   
   
   兩者結果基本一致。
   
   
EI33磁芯的WaAe=1.47，Kg=0.1358。
由此可見，兩種方法的結果，選EI33磁芯較合適。
EI33磁芯的Wa=1.24，Ae=1.185。下面核算一下，幾個繞組是否繞得下。
   
   初級繞組Ip=1.18A，Irms=1.18×=0.59A。Aw=0.59/4=0.1475。采用Aw=0.159的導線，其最大直徑為0.51mm=0.051cm。占有窗口面積為Wa=65×=0.1691。
   反饋繞組Ip=1A，Irms=1×=0.5A。Aw=0.5/4=0.125。采用Aw=0.1257的導線，其最大值徑為0.46mm=0.046cm。占有窗口面積為Wa=15×=0.0317。
   次級繞組Io=2A，Irms=Io=2A。Aw=2/4=0.5。雙股并繞采用Aw=0.2463的導線，其最大直徑為0.63mm=0.063cm。兩個繞組占有窗口面積為Wa=(11+5)×(2×0.063)2=0.254。
   全部繞組占有窗口面積為。占總窗口面積1.24的 36.7%。
   EI33磁芯的骨架，窗口高度16mm，寬度5.3mm。16mm高度要扣除兩端各1.5mm，尚剩下13mm長度。
   初級繞組的導線最大直徑為0.51mm，每層可繞13 /0.51=25.5匝，65匝要用3層。
   反饋繞組的導線最大直徑為0.46mm，每層可繞13/0.46=28匝，15匝只要用1層。
   次級繞組的導線最大直徑為0.63mm，每層可繞13/ 0.63=20匝，每層繞11+5匝要用2層。
繞組排列下圖：
   初級繞組分成3組繞，各組分別為22、22、21匝。每層厚度0.51mm。
   次級繞組分成2組繞，每組均為11+5匝。每層厚度0.63mm。
   反饋繞組只用1層，15匝，層厚度0.46mm。
   絕緣膠帶厚度為0.15mm，共7層。

   繞組總厚度-1+0.51+0.63+0.51+0.63+0.51+0.46+0.15×7=5.3mm
   現(xiàn)在核算銅損耗情況。采用同一的平均匝長，等于7.2cm。
   Aw=0.159、0.1257的導線，單位長度的電阻值分別為0.115Ω/cm和0.1463Ω/cm。而Aw=0.2467的導線，單位長度的電阻值為0.0736Ω/cm，由于采用雙線并繞，在計算時減半。
   
Pcu=0.1872+0.0395+0.1166+0.053=0.3693W
   以下兩種方法，有效電流取值和繞組電阻計算，不盡相同。因此，計算結果也是不一樣。分別介紹如下《電子變壓器手冊》（P.394～P.397）：
這里將輸出直流電流Io視同峰值電流，因此，其有效值計算結果為：
   次級繞組：Ip=Io=2A，Irms=2×√（1-0.25）=1.732A。
   反饋繞組：Ip=If=1A,Irms=1×√（1-0.25）=0.886A。
    初級繞組的峰值電流，由次級繞組和反饋繞組的峰值電流反饋到初級而求得。而上一方法的初級繞組的峰值電流=2×Po/Vi×δ=（2×34）/（230×0.25）=1.18A。
   計算公式結果如下：
   
   其有效值計算結果為：
   Irms=0.239×√0.25=0.12A。
   繞組電阻值的確定，主要區(qū)別在于平均匝長的取值上。它采用分段取值的方法。
   由于取值變化，導線重要新選擇。
   68KHz時，導線的穿透深度為：△=7.6/√（68×）=0.0291cm=0.291mm。
   選擇導線直徑要小于兩倍穿透深度，即〈0.291×2=0.582mm。
初級繞組：
   Irms=0.12A。Aw=0.12/4=0.03142。
   采用Aw=0.03142的導線，其最大直徑為0.24mm=0.024cm。占有窗口面積為Wa=65×=0.0374。
次級繞組：
   Irms=1.732A。Aw=1.732/4=0.433。四股并繞采用Aw=0.1257的導線，其最大直徑為0.46mm=0.046cm。兩個繞組占有窗口面積為Wa=(11+5)×=0.5417。
反饋繞組：
   Irms=0.866A。Aw=0.866/4=0.2165。雙股并繞采用Aw=0.1257的導線，其最大直徑為0.46mm=0.046cm。占有窗口面積為Wa=15×=0.127。
全部繞組占有窗口面積為Wa=0.0374+0.5417+0.127=0.7061。占總窗口面積1.24的56.9%。
   下面我們同樣來安排一下繞組位置，并計算各個繞組的厚度，在此基礎上計算出每個繞組的平均匝長。
   EI33磁芯的骨架，窗口高度16mm，寬度5.3mm。16mm高度要扣除兩端各1.5mm，尚剩下13mm長度。
   初級繞組的導線最大直徑為0.24mm，每層可繞13/0.24=54匝，65匝要用2層。
反饋繞組的導線最大直徑為0.46mm，每層可繞13/0.46=28匝，15×2=30匝，要用2層。
   次級繞組的導線最大直徑為0.46cm，每層可繞13/0.46=28匝，Ns1為5×4=20匝，要用1層。Ns2為11×4=44匝，要用2層。
   繞組排列如下圖：

   繞組總厚度=1+0.24×2+0.46×5+0.15×6=3.68mm
   下面我們進行各個繞組的平均匝長的計算。因為，EI33磁芯的中心柱等于10mm×13mm。因此，各個繞組的平均匝長為：
Np1匝長=2×（10+13）+4×（1+0.15+0.12）=51.08mm
Ns1匝長2×（10+13）+4×（1+0.15×2+0.  24+0.23）      
            =53.08mm
Np2匝長=2×（10+13）+4×（1+0.15×3+0.24+0.46+0.12
           =55.08mm）
Np2匝長=2×（10+13）+4×（1+0.15×4+0.24×2+0.46×2)
           =58.0mm）
Nf匝長=2×（10+13）+4×（1+0.15×5+0.24×2+0.46×4)
           =62.28mm）
《電子變壓器手冊》求繞組電阻，不是根據(jù)導線表上的單位長度電阻值取得的。
應用如下公式計算而得：
                       
Rrz繞組電阻，N匝數(shù)，1平均匝長，Aw導線載面積。
q調整系數(shù)
RNp1=0.0172××1.1965×(51.08×35/0.03142)=1.171Ω
RNs1=0.0172××1.1965×(53.08×5/(0.1257×4))=0.0109Ω
RNp2=0.0172××1.1965×(55.08×30/0.03142)=1.0823Ω
RNs2=0.0172××1.1965×(58×11/(0.1257×4))=0.0261Ω
RNf=0.0172××1.1965×(62.28×15/(0.01257×2))=0.0765Ω
現(xiàn)在開始計算銅損耗：
PNp=（1.71+1.0823）×0.122=0.0402W
PNs1=0.0109×=0.0327W
PNs2=0.0261×=0.0783W
PNf=0.0765×=0.0574W
Pt=0.0402+0.0327+0.0783+0.0574=0.2086W≈0.21W
0.21W為0.34W的61.76%。
   現(xiàn)在采用（電子變壓器設計技術培訓班）的《培訓教材》第101～102頁的方法。這里的要點是，要計算各個繞組的直流、交流有效值和電阻值，再分別取得直流、交流損耗，兩者相加得總的損耗。
   而計算有效值的次級為中值乘以√（1-δ），初級為中值乘以√δ。輸出值要換算為中值后，再求得有效值。
   次級繞組Io=2A，Ia=2/(1-0.25)=2.67A。Irms=Ia×√(1-0.25)=2.67×√(1-0.25)=2.31A。
反饋繞組If=1A，Ia=1/(1-0.25)=1.33A，Irms=a×√(1-0.25)=1.33×√(1-0.25)=1.15A。
   初級繞組的峰值電流，由次級繞組和反饋繞組的峰值電流反饋到初級而求得。
   計算公式和結果如下：
   
   有效值：Irms=Ip√0.25=0.9641×√0.25=0.48A。
   初級繞組：
   Irms=0.48A。 Aw=0.48/4=0.12。
   采用Aw=0.1257的導線，其最大直徑為0.46mm=0.046cm。
   占有窗口面積為Wa=65×0.0462=0.1375。
次級繞組：
   Irms=2.31A。 Aw=2.31/4=0.5775。
   四股并繞采用Aw=0.159的導線，其最大直徑為0.51mm=0.051cm。兩個繞組占有窗口面積為Wa=(11+5)×=0.6659。
反饋繞組：
   Irms=1.15A。 Aw=1.15/4=0.2875。
   雙股并繞采用Aw=0.159的導線，其最大直徑為0.51mm=0.051cm。占有窗口面積為Wa=15×(=0.1561。
   全部繞組占有窗口面積為Wa=0.1375+0.6659+0.1561=0.9595。占總窗口面積1.24的77.4%。
   下面我們同樣來安排一下繞組位置，并計算各個繞組的厚度，在此基礎上計算出每個繞組的平均匝長。
   初級繞組的導線最大直徑為0.46mm，每層可繞13/0.46=28匝，65/28=2.3，要用3層。
   次級繞組的導線最大直徑為0.51mm，每層可繞13/0.51=25匝，Ns1為5×4=20匝，要用1層。Ns2為11×4=44匝，要用2層。
   反饋繞組的導線最大直徑為0.46mm，每層可繞13/0.46=28匝，15×2=30匝，要用2層。
   繞組排列如下圖：

   繞組總厚度=1+0.46×3+0.51×5+0.15×7=4.98mm
求平均匝長：
Np1=2×(10+13)×4×(1+0.15+0.23)=51.052mm
Ns1=2×(10+13)×4×(1+0.15×2+0.46+0.255)=54.06mm
Np2=2×(10+13)×4×(1+0.15×3+0.46+0.51+0.23)=56.6mm
Ns2=2×(10+13)×4×(1+0.15×4+0.46×2+0.51×2)=60.16mm
Np3=2×(10+13)×4×(1+0.15×5+0.46×2+0.51×3+0.23)=63.72mm
Nf=2×(10+13)×4×(1+0.15×6+0.46×3+0.51×4)=67.28mm
現(xiàn)在開始計算繞組電阻和銅損耗：
計算繞組電阻，先利用公式計算直流電阻：
Rdc=ρ1/Aw。ρ=2.3×。這里的1為匝長（mm）與匝數(shù)的乘積。
Rdc(Np1)=2.3××(51.52×22/0.1257)=0.207Ω
Rdc(Ns1)=2.3××(54.06×5/(0.159×4))=0.00977Ω
Rdc(Np2)=2.3××(56.6×22/0.1257)=0.228Ω
Rdc(Ns2)=2.3××(60.16×11/(0.159×4))=0.0238Ω
Rdc(Np3)=2.3××(63.72×21/0.1257)=0.245Ω
Rdc(Nf)=2.3××(67.28×15/(0.159×2))=0.073Ω
現(xiàn)在開始計算交流電阻：
Np1層厚=0.83d√d/s=0.83×0.40√(0.40/0.46)=0.3096
(d為導線裸線直徑mm，s為導線的最大直徑mm。）
Q=0.3096/0.291=1.06。  Fr=Rac/Rdc=1.1。
Rac(Np1)=1.1×Rdc(Np1)=1.1×0.207=0.228Ω
Ns1層厚=0.83d√ d/s=0.83×0.405√ (0.45/0.51)=0.3508
(d為導線裸線直徑mm，s為導線的最大直徑mm。)
Q=0.3508/0.291=1.2。   Fr=Rac/Rdc=1.2。
Rac(Ns1)=1.2×Rdc(Ns1)=1.2×0.00977=0.012Ω
Np2層厚同Np1。 Fr=Rac/Rdc=1.1。
Rac(Np2)=1.1×Rdc(Np2)=1.1×Rdc(Np2)
Ns2層厚同Ns1。Q=1.2。因是二層Fr=Rac/Rdc=1.7。
Rac(Ns2)=1.7×Rdc(Ns2)=1.7×0.0238=0.04Ω
Np3層厚同Np1。Fr=Rac/Rdc=1.1。
Rac(Np3)=1.1×Rdc(Np3)=1.1×0.245=0.27Ω
Nf層厚同Ns2。也是二層Fr=Rac/Rdc=1.7。
Rac(Nf)=1.7×Rdc(Nf)=1.7×0.073=0.124Ω
現(xiàn)在計算直流和交流損耗，以及全部銅損；
PNp(dc)=(0.207+0.228+0.245)×=0.157W
PNp(ac)=(0.228+0.251+0.27)×=0.172W
PNs1(dc)=0.00977×=0.052W
PNs1(ac)=0.012×=0.064W
PNs2(dc)=0.0238×=0.127W
PNs2(ac)=0.004×=0.213W
PNf(dc)=0.0073×=0.097W
PNf(ac)=0.0124×=0.164W
Pt(dc)=0.157+0.052+0.127+0.097=0.433W
Pt(ac)=0.172+0.064+0.213+0.164=0.613W
Pt=0.433+0.613=1.46≈1.1W  >0.34W。
   以上三種方法，各有特點，實際上，選哪一種都滿足實際應用。主要看你的設計和使用，強調哪個方面的要求了。如：損耗、尺寸或者功率等。?