【技术专辑】了解转换器的电感器设计

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演示了升压转换器的滤波电感设计,双输出正激转换器的耦合电感设计,以及连续导通模式下的反激变压器设计。 

 

与传统变压器的宽区域相比,转换器电路中的滤波器电感器在小的BH回路区域中操作。BH回路的面积与电感器中的总电流纹波成比例。根据次要的BH回路区域,磁芯损耗可以忽略不计。另一方面,铜损取决于流过电感器的DC电流。相同的曲线也适用于耦合电感器。设计主要受到铜损和滤波电感器饱和条件的限制。 

 

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图1.滤波电感的BH环路  

 

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图2.常规变压器的BH回路

 

升压转换器的电感设计

 

CCM下相关波形的升压转换器电路图:

 

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图3.升压转换器电路

 

设计电感器的基本限制是(a)保持磁通密度B低于饱和时的磁通密度B SAT(b)保持电感器的温度在极限内。我们还希望电感电流纹波等于电感电流的ε部分。(电感中的纹波<<电感电流)

 

我们应该根据以下给定的规格了解该转换器电路的要求:

            V S,V O,f,P O.

在,

 

            V S =输入电压

 

            V O =输出电压

 

            f =以kHz为单位的工作频率。(F = 1T)

 

            P O =以kW为单位的输出功率

 

我们可以通过以下公式得到升压转换器的占空比:

            

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转换器的输入直流电流是电感电流,由下式给出:

            

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我们之前已经看到了,

 

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从而,

            

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也,

 

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因此,来自等式1和2的所需电感值由下式给出

            

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在三角波的情况下,电感器电流的RMS值由以下表达式给出:

            

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电感两端电压的RMS值由下式给出

 

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图4.电源电流,二极管电流,电感电流和电感电压(升压转换器)

 

如果转换器的频率不小于从以下表达式获得的视在频率,则它是最坏情况的频率。

 

【技术专辑】了解转换器的电感器设计 适用于低涡流损耗和D<1.6δ下的低频范围。根据导体的类型(圆丝或Litz WIRE)考虑填充系数FC。现在,我们有了设计电感的所有输入参数。我们可以用下面的约束方程来确定核心参数AC', AW, 和 lmeanT 。

 

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然后,我们将获得所需的核心最终量。我们现在还可以将体积乘以特定频率下材料的相应功率密度来测量磁芯损耗。功率密度通过特定频率下的功率密度与制造商给出的磁通密度的变化之间的曲线来测量。通量密度的变化由下式给出:

             

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如果相对小于铜损,我们可以忽略铁损,并使用具有更高铁损和高饱和磁通密度的材料。这导致更小尺寸的电感器芯。

 

双输出正激变换器耦合电感的设计

 

耦合电感器具有缠绕在同一磁芯上的多个绕组,用于共模电流中的高电感值,而差模电流具有低电感值。耦合电感具有较低的漏电感和AC电流损耗。考虑一个耦合电感,如下图所示:

 

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图5.耦合电感

 

L 1和L 2的匝数必须相同才能保持电压 - 时间平衡条件。磁化场由电流的总和产生,即流过核心的i 1 + i 2。泄漏场由电流的差异产生,即流过空气的i 1 -i 2。下面给出了使用耦合电感的双输出正激转换器的电路图。

 

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图6.双输出正激转换器的电路

 

共模电流,  

               

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差模电流,

               

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这些电流都有助于涡流损耗。

 

共模电感,

              

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差模电感,

              

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在这里,Pis是制造商提供的渗透率,R是不情愿的。对于共模电流,耦合电感器的作用类似于两个并联的电感器L 1和L 2。对于差分模式,耦合电感充当变压器。在流过L 1和L 2的电流中存在相当大的DC分量,这导致核的净磁化。

              

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使用与单绕组滤波器电感器类似的设计程序。

 

CCM中反激变压器的设计

 

反激变压器用作电感器,具有两个绕组,其中只有一个绕组在特定时间承载电流。反激变压器存储能量并在以后释放,这需要气隙。由于即使在连续的总安培匝数下,两个绕组也交替地承载电流,因此无论其工作模式如何,高的AC绕组损耗都与反激式转换器相关联。磁芯损耗取决于变压器的磁化电流I m,并且在不连续导通模式的情况下通常很重要。

 

在CCM中,转换器的转换率为:

                

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对于所需的占空比和标称电源电压,初始预期的匝数比由下式给出:

                

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其中v o '是负载,开关,整流器和次级侧铜损的电压之和。我们甚至需要查看直流和交流组件的最坏情况电流的占空比。可以改变占空比和匝数比以优化设计。我们可以在数据表的帮助下根据适当的规格选择特定的材料。

 

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图7.反激式转换器的电路

 

磁芯损耗可以忽略不计,磁通密度受磁芯饱和的限制。核心中的净场是磁化电流和泄漏场的总和。磁化场用于存储能量,并且基本上充当电感器,而泄漏场像变压器那样执行。

              

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磁通密度的变化可以通过

 

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这里,I sc是产生最大磁通密度的短路电流。

 

次级侧的匝数由下式给出

              

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因此,可以计算次级的相应转弯。使用制造商提供的指南选择核心形状及其类型。基于此,我们需要计算热阻,导体尺寸,气隙长度,绕组损耗,直流和交流损耗。

 

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图8.反激式转换器的输入电压,输出电压,磁化电流和二极管电流波形

 

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发布日期:2019年03月04日  所属分类:参考设计