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电源输出功率与磁芯尺寸的计算方法.doc

1、要使变压器输出更大的功率,我们希望在电压一定的情况下,圈数要尽可能的少、导线尽可能的粗。这样才有利于提供较大的电流,输出更大的功率。前者需要较大的磁芯截面积,后者要求较大的磁芯窗口面积。因此要获得较大的输出功率磁芯尺寸必须够大才行。变压器初级绕组的圈数可用下式来算:N = k *105 * U /(f *Ae* Bmax ) k 为最大导通时间与周期之比,通常取 k=0.4; U 是初级绕组输入电压(V) , (近似等于直流输入电压); f 是变压器的工作频率(KHZ) ; Ae 是磁芯的截面积(cm2 ) ; Bmax 是允许的磁通密度最大变化幅度( G) 。 因此,在一定电压下,增大截面积

2、 Ae、提高工作频率 f 和选择更大的峰值磁通密度 Bmax,都有利于减少圈数,提高输出功率。但是,磁芯的损耗(铁损)是按 Bmax 的 2.7 次幂和 f 的 1.7 次幂呈指数增长的,Bmax 还受磁芯饱和的限制。因此,提高工作频率 f 和选择更大的峰值磁通密度 Bmax 都是有限度的。大多数适合做开关电源的铁氧体磁芯频率通常限制在 10-50KHZ 以内,Bmax 限制在 2000G(高斯)以内,一般取 Bmax=1600G 较为合适。因此,功率主要靠磁芯截面积 Ae、其次靠工作频率 f 控制。 但必须明确的是,这种控制关系是间接的而不是直接的,Ae 加大和 f 提高只是表示对同样的电压

3、,允许绕的圈数更少,只有实际把圈数减少了才能提高功率。如果在同样材料的一个大磁芯和一个小磁芯上,用一样的导线绕同样的圈数,对同样的输入电压输出功率是基本相同的。同样,如果一个做好的变压器,仅仅靠改变工作频率,也是不会使输出功率提高的。在实际问题的处理上,因为变压器已经做好,所以我建议提高输入电压来提高功率;如果从变压器入手的话,可以尝试把导线适当加粗,同时把频率提高一些,以允许圈数能有所减少,这样就可加大输出功率。导线加粗受到磁芯窗口面积 Ac 限制。用截面积为 Ad 的导线绕 N 圈,占用的窗口面积为:Awc = N *Ad = k * 105 * U *Ad / (f *Ae* Bmax

4、) 设,初级绕组窗口占用系数为 Sn =Awc / Ac, Ad 用电流 I(有效值)和允许的电流密度 J 表示为:Ad=I/J/100, (Ad-平方厘米,I-A 有效值,J-A/平方毫米)则上式可写成:Ac* Sn = k * U *I*103 / ( f *Ae* Bmax * J) 或,U*I = Sn * Bmax * J * f *Ae* Ac * 10-3 / k因为输入功率等于输入电压 U 与电流平均值 k*Ip 的乘积,而电流有效值 I与峰值 Ip 的关系为:Ip= 1.58*I,所以输入功率:Pi = 1.58*k*U*I = 1.58*Sn * Bmax * J * f

5、*Ae* Ac * 10-3 再乘上效率 Ef 就得到最大输出功率的表达式:Po = 1.58 * Ef * Sn * Bmax * J * f *Ae* Ac * 10-3可见,功率除了和上面那些有利于圈数减少的因素成正比之外,还与允许导线加粗的 Ac、Sn 以及电流密度 J 成正比。工程上一般取 Ef = 0.8,Sn=0.4,Bmax=1600G,J=4A/ 平方毫米,再考虑到不同电路形式的绕组结构不同,故常用下式来估算磁芯的最大输出功率:Po = m * f * Ae * Ac 推挽电路 m=3.2;单端正激电路 m=1.6;半桥和全桥 m=4.48。电视机行输出变压器常用的三种 U

6、型磁芯,U12 、U16 、U18 的 Ae 与 Ac乘积分别为 6.12、14.9、30.4(平方厘米) ,如果频率取 f=20KHZ,采用推挽电路,则可算得这三种磁芯可提供的最大输出功率为:U12:Po = 3.2*20*6.12 = 548 WU16:Po = 3.2*20*14.9 = 954WU18:Po = 3.2*20*30.4 = 1945W这种 U 型磁芯窗口面积很大适合高压大功率的场合,但磁路较长,初、次级耦合度较差,漏感大。再次强调,算出的最大功率只是说明该磁芯的能力,大材小用可以,小材大用就不行了。磁芯选定之后,最大输出功率和工作频率有关 工程上可用下式估算:Po=1.

7、6*f*Ae*Ac (W) f-工作频率(KHZ )Ae-磁芯截面积(平方厘米)Ac-磁芯窗口面积(平方厘米)(对其他电路形式,式中系数 1.6 有所不同)对 EI40,Ae=1.28 ,Ac=1.5 ,可算得当 f=20KHz 时,Po=61W当 f=24KHz 时,Po=74W 当 f=48KHz 时,Po=148W绕组的每伏匝数,用下式计算:No = 15.6/(f*Ae) (匝/V)若 f=24KHZ, No = 15.6/(24*1.28) = 0.51 匝/V如果初级电压 V1=240V,次级电压 V2=36V,则初级匝数: N1 = No*V1=122 匝 次级匝数: N2 = No*V2=18 匝

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