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开关电源高频变压器AP法计算方法

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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η=Po/PI,故Po+PI=Po/η+Po=(1+η)Po/η。代入(10) 式最终得到

这就是AP法选择磁心的基本公式。下面将从工程设计的角度对(11)式做深入分析和适当简化,重点是对式中的K、BAC参数做进一步推导。开关电源一次侧的电压波形可近似视为矩形波 ,即

;但一次侧的电流波形不是矩形波,而是锯齿波(工作在不连续电流模式DCM)或梯形波(工作在连续电流模式CCM)。不连续电流模式和连续电流模式的一次侧电流波形分别如图1(a)、(b)所示。以不连续电流模式为例,一次侧电流波形是周期性通、断的锯齿波,仅在功率开关管(MOSFET) 导通期间,一次侧出现锯齿波电流;在功率开关管关断期间,一次侧电流为零。令导通时间为tON,开关周期为T, D=tON/T。对于周期性通、断的锯齿波,一次侧电流的波形因数可用k'f

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表示,有关系式

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查表1,周期性锯齿波的kf=1.155,代人式 (12) 中得k'f=1.115D。此时需将式(11) 中的换成1.115D。

在连续电流模式下一次侧电流波形为周期性 通、断的梯形波,其波形因数比较复杂。一种简单方法是先按照不连续电流模式选择磁心,然后适当增加磁心尺寸,以便通过增大一次绕组的电感量,使开关电源工作在连续电流模式。磁心的交流磁通密度(BAC) 可根据最大磁通密度(BM)来求出,对于反激式开关电源,计算公式为

式中,KRP为脉动系数,它等于一次侧脉动电流IR与峰值电流IP的比值;在连续电流模式时KRP<1;不连续电流模式时KRP=1 。Z为损耗分配系数,它表示二次侧的损耗与总功耗的比值,在极端情况下,Z=0表示全部损耗发生在一次侧,此时负载开路;Z=1贝0表示全部损耗发生在 二次侧,此时负载短路。一般情况下取Z=0.5,因此

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BAC=0.5BMKRP。将k'f =1.115D和BAC= 0.5BMKRP一并代人式(11)中,整理后得到

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这就是AP法选择磁心的实用公式。式(14)是按照单极性变压器的绕组电流及输出功率推导出来的,适用于单端正激式或反激式高频变压器的设计。式中,AP的单位为cm4,Po的单位为W。电流密度一般取J=200~600A/cm2(即2~6A/mm2)。窗口面积的利用系数一般取KW= 0.3~0.4。如高频变压器有多个绕组,就应计算全部绕组的匝数与对应电流的乘积之和。

进一步分析可知,对于不连续电流模式(KRP=1) ,式(14) 可简化为

对于连续电流模式( KRP<1 ) ,假定KRP=0.8,式(14) 可简化为

对于单端正激式高频变压器而言,最大占空Dmax<0.5。如选择实际占空比D=0.4,电源效率η=80%,窗口面积利用系数KW=0.4,J=400A/cm2,则式(14) 可简化为

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开关电源高频变压器AP法计算方法

.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η=Po/PI,故Po+PI=Po/η+Po=(1+η)Po/η。代入(10)式最终得到这就是AP法选择磁心的基本公式。下面将从工程设计的角度对(11)式做深入分析和适当简化,重点是对式中的K、BAC参数做进一步推导。开关电源一次侧的电压波形
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