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開關電源變壓器設計與材料選擇

發布時間：2018-08-02 責任編輯：wenwei

【導讀】開關電源變壓器是加入了開關管的電源變壓器，在電路中除了普通變壓器的電壓變換功能，還兼具絕緣隔離與功率傳送功能一般用在開關電源等涉及高頻電路的場合。

最基礎的反激式變壓器開關電源的簡單工作原理圖。

在這一電路系統中，Ui是開關電源的輸入電壓，T是開關變壓器，K是控制開關，C是儲能濾波電容，R是負載電阻。下圖是反激式變壓器開關電源的電壓輸出波形。

開關電源變壓器和開關管一起構成一個自激（或他激）式的間歇振蕩器，從而把輸入直流電壓調制成一個高頻脈沖電壓。在反激式電路中，當開關管導通時，變壓器把電能轉換成磁場能儲存起來，當開關管截止時則釋放出來。在正激式電路中，當開關管導通時，輸入電壓直接向負載供給并把能量儲存在儲能電感中。當開關管截止時，再由儲能電感進行續流向負載傳遞。

變壓器的初級電感量是202uH，參與耦合的卻只有200uH，那么有2uH是漏感。次級是50uH，沒有漏感。變壓器的電感比是200：50，那么意味著變壓器的匝比NP/NS=2：1設定瞬態掃描，時間10ms，步長10ns，穩態時的波形：

t0時刻，MOS開通，初級電流線性上升。

t1時刻，MOS關斷，初級感應電動勢耦合到次級向輸出電容轉移能量。漏感在MOS上產生電壓尖峰。輸出電壓通過繞組耦合，按照匝比關系反射到初級。這些和CCM模式時是一樣的。這一狀態維持到t2時刻結束。

t2時刻，次級二極管電流，也就是次級電感電流降到了零。這意味著磁芯中的能量已經完全釋放了。那么因為二管電流降到了零，二極管也就自動截止了，次級相當于開路狀態，輸出電壓不再反射回初級了。由于此時MOS的Vds電壓高于輸入電壓，所以在電壓差的作用下，MOS的結電容和初級電感發生諧振。諧振電流給MOS的結電容放電。Vds電壓開始下降，經過1/4之一個諧振周期后又開始上升。由于RCD箝位電路的存在，這個振蕩是個阻尼振蕩，幅度越來越小。

t2到t3時刻，變壓器是不向輸出電容輸送能量的。輸出完全靠輸出的儲能電容來維持。

t3時刻，MOS再次開通，由于這之前磁芯能量已經完全釋放，電感電流為零。所以初級的電流是從零開始上升的。

繞組的電壓關系——變壓器基本特性

法拉第定律:

根據法拉第定律，得出輸入輸出電壓的關系：匝數比

楞次定律---變壓器的電流關系

閉合回路中感應電流的方向，總是使得它所激發的磁場來”阻礙”引起感應電流的磁通量的變化。

可用作變壓器磁芯的軟磁材料

鐵氧體材料的選擇

選擇磁性材料的關鍵點：

Ａ：磁心的飽和磁密度

Ｂ：磁心的損耗(儲能與放能之差)

關于飽和磁密度：

磁飽和是磁性材料的一種物理特性，指的是導磁材料由于物理結構的限制，所通過的磁通量無法無限增大，從而保持在一定數量的狀態。

磁飽和是一種磁性材料的物理特性，磁飽和產生后，在有些場合是有害的，但有些場合有時有益的。比方磁飽和穩壓器，就是利用鐵心的磁飽和特性達到穩定電壓的目的的。電源變壓器，如果加上的電壓大大超過額定電壓，則電流劇增，變壓器很快就會發熱燒毀。

假定有一個電磁鐵，通上一個單位電流的時候，產生的磁場感應強度是1，電流增加到2的時候，磁感應強度會增加到2.3，電流是5的時候，磁感應強度是7，但是電流到6的時候，磁感應強度還是7，如果進一步增加電流，磁感應強度都是7不再增加了，這時就說，電磁鐵產生了磁飽和。

有磁芯的電感器有磁飽和問題, 在電感器中加鐵氧體或其他導磁材料的磁芯, 可以利用其高導磁率的特點, 增大電感量減少匝數減小體積和提高效率. 但是由于導磁材料物理結構的限制, 通過的磁通量是不可以無限增大. 通過一定體積導磁材料的磁通量大到一定數量將不再增加, 不管你再增加電流或匝數, 就達到磁飽和了. 尤其在有直流電流的回路中, 如果其直流電流已經使磁芯飽和, 電流中的交流分量將不能再引起磁通量的變化. 電感器就失去了作用.

B-H曲線

用圖形來表示某種鐵磁材料在磁化過程中磁感強度B與磁場強度H之間關系的一種曲線，又叫B-H曲線。這種曲線可以通過實驗方法測得。B與H之間存在著非線性關系。當H逐漸增大時，B也增加，但上升緩慢（oa段）。當H繼續增大時，B急驟增加，幾乎成直線上升（ab段），當H進一步增大時，B的增加又變得緩慢，達到c點以后，H值即使再增加，B卻幾乎不再增加，即達到了飽和。不同的鐵磁材料有著不同的磁化曲線，其B的飽和值也不相同。但同一種材料，其B的飽和值是一定的。