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[变压器]变压器接入负载后电压下降严重

助工
2020-03-12 18:12:06    评分
本帖最后由 chenxiaot93@163 于 2019-11-20 18:33 编辑

 
如上图所示,输入电压为4.5V,楼主需要设计一个全桥电路将DC4.5V转换为100kHz的方波,通过环形磁芯升压,在次级整流滤波再经Buck电路(LM2596-12.0V)转换为12V电压10W功率的直流电压。
由于要求空间紧凑,采用的全桥工作频率为100kHz,先用纳米晶磁环作为变压器磁芯。利用AP法选择合适尺寸的磁芯,根据电磁感应原理计算得到初级匝数为2T,次级匝数为12T,升压比为6。
绕后将磁环接入电路,在空载时Buck电源能稳定输出12V。但是接入51Ω电阻作为测试负载后发现输出电压仅仅1.13V。51Ω的电阻作为负载,12V电压下消耗功率远未达到设计目标10W
现初步怀疑是设计阶段出了问题,楼主在下面贴上实测波形和详细的计算过程,希望有相关经验和知识的朋友能帮助我分析讨论。


分别测试了空载和带负载时磁环初级和次级的波形如下:
 
这是空载初级电压波形,脉冲平台期大约3V左右,输入电压是4.5V主要损耗应该是全桥的管压降。

 
空载次级电压波形,经过升压后平台期约11V左右(升压比为6)。
从空载波形上看,变压器初次级电压波形与设计目标基本一致。


 
这是带载后的初级电压波形,平台期电压接近1V。

 
这是带载后的次级电压波形,平台期电压5V左右,使LM2596-12无法正常工作。

对比带载前后的变压器波形,变压器未饱和,可以看出带载后变压器的初次级电压下降严重。是由于变压器功率不够?楼主很不解。反复检查了设计和计算过程,并没有发现错误。

下面贴上设计的计算过程:
步骤一:确定变压器设计的电源参数       输入电压Ui 4.5V       变压器输出电压 20V       变压器工作频率fs10kHz       电源输出功率Pi: 10 W       变压器工作占空比:50%       整流二极管压降 1V       变压器传输功率 :80%       开关电源功率 :80%步骤二:确定初次级匝数比步骤三:确定高频变压器磁芯材料选择铁基纳米晶磁环作为磁芯材料,饱和磁感应强度Bs=1.25T,顽绞力1.2A/m,初始磁导率80000,电阻率115μΩ·cm.
步骤四:确定工作磁感应强度Bm确定磁感应强度B需要考虑两个问题:当输入电压达到最高时磁芯不饱和,变压器温升满足要求。通常选择Bm=(1/3~1/2)Bs=1/3*1.2T=0.4T,考虑到剩磁Br,为避免磁芯饱和,Bm取0.2T。
步骤五:确定磁芯尺寸磁芯制造商在生产磁芯时会将磁芯有效截面积和窗口面积的乘积(面积积)作为工作功率大小的标识。可传递的功率和面积积存在如下关系:      式中:Ae为磁芯有效截面积(cm2);Aw为磁芯窗口截面积(cm2);Pt为变压器视在功率(W);ΔB为磁通密度变化量,双极性变换器为ΔB=2Bm(T)(选择了磁芯后可以计算);f为开关工作频率(Hz);K为近似系数(正激、推挽中心抽头变压器取K=0.014;全桥、半桥变压器取K=0.017)。
计算变压器传输效率为 ,
将数据代入      
选择King magnetics公司生产的30*20*10纳米晶磁环,其有效截面积Ae=0.47 cm2,窗口面积Aw约3.14 cm2。AP=Ae×Aw=1.476 cm4,远远大于所需传输功率对应的AP值。
步骤六:确定原边和副边的绕组匝数计算初级线圈匝数
式中△B为一个周期内磁感应强度变化大小(T),△B=2Bm;Ae为磁芯有效截面积(cm2);fs为变压器工作频率(Hz)。代入数据,算的
取副边匝数 为12T,            取原边匝数 2T步骤七:校验△B的可行性


由于线圈匝数少,楼主在计算过程中没有考虑绕制导线的内阻,原型机只采用了普通铜导线作为绕组材料,应该不会是次级线圈内阻大致的电压跌落。如图:
 

直观理解,接入空载和接入负载的区别在于变压器次级线圈电流从0变为一定值,次级电流产生的磁通会抵消一部分的初级线圈磁通。
根据公式可以推断初级线圈中的△B过小导致的电压下降,难道所选择的磁性有效截面积Ae过大?但是他是根据公式计算,线圈匝数、Ae、△B应该根据设计目标互相形成约束才对,或者是设计参数和实际制作上有何差别?
本人第一次设计变压器,想能向有经验的朋友虚心请教探讨学习。





    关键词: 变压器     接入     负载     电压     下降     严重    

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