【电子行业标准(SJ)】 开关电源变压器计算方法

中华人民共和国电子工业部指导性技术文件SJ/Z2921-88
开关电源变压器计算方法
1988-03-09发布
1988-1001实施
中华人民共和国电子工业部
1范图
中华人民共和国电子工业部指导性技术文件开关电源变压器计算方法
SJ/Z2921-88
本标准规定了脉宽调制型开关稳压电源中功率输出变压器（以下简称开关电源变压器）的计算方法。
本标准适用于脉宽调制型开关电源变压器的设计计算。2开关稳压电源的高频变换器
开关稳压电源的方框图如图1所示，电网电压通过输入回路中的整流器和滤波器转换成直流电输入高频变换器，高频变换器则把输入的直流电转变为高频脉冲方波电压，该脉冲方波电压通过输出回路中的高频整流器和滤波器变成直流电供给负载。由开关管和开关电源变压器等组成的高频变换器电路是实现变压、变频及完成输出电压调餐的执行部件，是开关稳压电源的主要组成部分。
输几醫流和魂波心
20-500KH2
高顺变澳可
榆出登流电
控电器
图1开关隐压电源方框图
开关稳压电源的高频变换器电路形式很多，通常根据负载功率大小，不同使用要求，采取不同形式的高频变换器电路。常用的高频变换器电路有推挽，全桥、半桥、单端正激、单端反激等形式。表1为开关稳压电源常用变换器电路以及电压、电流波形。3开关电源变压器工作状态
不同的高频变换器电路，输入开关电源变压器波形不相同，其工作特点也不相同。通常开关电源变压器工作状态可分为两大类。3.1双极性开关电源变压器
此类有全桥，半桥、推晚等电路中开关电源变压器。变压器初级绕纠在个周期的正半周和负半周中，加上一个幅值和导通脉宽都相同而方向相反的脉冲方波出压，变压器初级绕中华人民共和国电子工业部1988-03-09发布1988-10-01实施
SJ/Z.2921--88
在正负半周的激磁电流大小相等、方向反。因此，变压器磁芯中产生的磁通沿交流磁潜回线对象地上、下移动（见2），悠芯工个于整个滋滞回线。在一个周期中，磁感应照度从正最大值变化均负最大值，磁芯中的直流磁化分量基本抵消。e此内容来自标准下载网
图2双极性开关电源变压器微滞回线3.2单极性开关电源变压器
此类有单端正激式、单册反激式等电路中开关电源变压器。变压器初级绕组在一个周期内加上一个单向的脉冲方波电压。四此，变压器感芯中磁通沿着交流磁滞回线的第·象限部分上下移动，变压器磁芯单向激磁，磁感应强度在最人值Bm到剩余磁感应强度B.之间变化，必图3。
图3单极性开关电源变压器下作回线2
4开关电源变压器常用磁性材料
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变压器的电压电流波形
4.1磁性材料的选用
开关电源变压器通常工作在20千赫以及更高的频率，它要求磁性材料在工作频率下功率损耗尽可能小。此外，还要求磁性材料饱和磁感应强度高，温度稳定性好。铁氧体磁芯山于价格便宜，磁芯形式多样，因此得到了广泛的应用。但是，铁氧体有许多明显缺点，如他和磁感应强度值低，温度稳定性差，易碎等，在体积重量、环境条件及性SJ/Z2921-88
能指标要求高的变压器中可采用坡莫合金和非晶态合金等材料。坡莫合金和非晶态合金通常绕制成环形铁芯，特殊要求也可绕制成矩形或其他形状。铁氧体磁芯、坡莫合金和非晶态合金材料的主要磁性能见表2。表2
CO基非晶态合金
1J85-1合金
Mn-Zn铁领体
感应强度
剃余磁
感应强度
矫顽力
为减少涡流损耗，应根据不同工作频率选择合金带的厚度。当采用坡莫合金时，合金带厚度选择见表3。不同厚度合金带料的磁芯占空系数值见表4。表3
占窖系数
对应不同工作状态的开关电源变压器，出于磁芯工作在磁化曲线不同区域。应选用相应磁特性的磁性材料。
4.1.1双极性开关电源变压器
此类变压器要求磁性材料具有高的磁感应强度，高的动态磁导率，较低的高频损耗。常用的材料有：
a，坡莫合金1J51：1J79：1J86；1J85-1等。b.铁氧体磁芯R2KD；R2KS等。
C.非晶态合金。
4.1.2单极性开关电源变压器
此类变压器要求磁性材料具有高的磁感应强度和较低的剩余磁感应强度。也就是要求磁性材料具有大的脉冲磁感应增景。AB.-BmB.....
式中：△Bm—脉冲磁感应增量，T：4
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Bm最大工作磁感应强度，T；
B,—剩余微感应强度。T。
并且，要求磁性材料在工作的直流磁场下不饱和。通常采用恒导磁材料或在磁芯中加气隙降低剩余磁感应强度并使磁化曲线颂斜，提高直流工作磁场。常用的磁性材料有：a，坡莫合金1J512；1J67h；1J34h；1J34h等。b，金属磁粉芯FeN:50：Fe-N:8:-Mo2c.铁氧体磁芯R2KD：R2KS等，
d，非晶态合金
4.2磁芯结构形式
根据开关电源变压器的电路类型、使用要求、功率等级、经济指标等选用合适的磁芯结构形式。结构形式选用应考虑下列因素，a漏磁要小，以便能获得小的绕组漏感：b，便于绝制，引出线及整个变压器安装方便，这样有利于生产维护；C.有利下散热。
铁复作磁芯用制造厂家选供标准规格磁芯.如U型、EE型、EI型、EC型及环型、赚型等。希望漏感小呼果用环型和灌型磁芯，要求低成本则可选用U型或E型磁芯。尤其是EC型磁芯，圆往形的中心相线调绕制方便，漏感比方形要小。两个外腿带有围定用螺钉孔。整个变压器可用压板和螺钉固定在底版或据架上。因此，EC型磁芯优点甚多。表5列出了各形式磁芯对成仁，谢滋、抽头等因素的比较，可根据不同要求参照表5来选用不同影式磁芯。
磁芯形式
准格中数消以1为越准
5漏感和分布电容
磁芯成本
线圈成本
外部磁场
开关电源变压器传逆的是高频脉冲方波电压.在瞬变过程中，漏感和分布电容会引起浪涌电流和尖降电压及脉冲顶部振荡，造成损耗增加，严重时会造成开关管损坏。因此，须加以控。
开关电源变压器设计一般主要考虑漏感影响，在输出为高压，输出绕组压数多，层数多时则应考虑分布电容带来的危害。同时，降低分布电容有利于抑制高频信号对负载的干扰。对间一变压器要同时减少分布电容和漏感是困难的，因为两者间是矛盾的，应根据不同工作要求、保证合适的分布电容和漏感。5
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t(0+I9s/t+0/890y
g-01 x
-D1×E(P+I)8/1+
(1+Ip8/t+gr,492'1-y
-/1-/1-/m*
5.19漏感
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变压器感是山于初、次级绕组之间，匝与匝之间磁通没有完全耦合造成的。常采用初、次级绕组交替分层绕制来降低变压器漏感。但交替分层使线圈结构复杂，绕制困难，分布电容增大。因此，一般取线圈漏磁势组数不超过4。5.1.1漏感计算
开关电源变压器通常采用的线圈绕制方法和漏感计算如下，a，壳式磁芯和心式磁芯漏感计算见表6。式中.Ls-漏感，H;
Im一-初、次级绕组平均匝长，cm；hm
一绕组高度，cm；
一初、次级绕组间绝缘厚度，cm；8，一每柱1初级线圈总厚，cm；81
每柱上次线线圈总厚，Cm：
初级绕组总匝数（对心式磁芯是两磁芯柱总匝数）：一漏磁修正系数
Kr=1-y+0.35y2..
式中y—线圈结构参数。
。一线圈总厚（不包括内外绝缘）Y=
M·元hm
式中：8一一每组漏磁势厚度，cm；M-—漏磁势组数。
谢磁修正系数可查图4曲线。
.02000048ea
图4漏磁修正系数曲线
b，环型燃芯变压器（变器绕组截面接近氧形）初级绕组绕在里，可认为初级感为零。3
（3）
次级绕组漏感：
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图5环型变压器
Ls2-0.4W2（01.1n）
式中：L82-一次级绕组满感，H：o1--环形变压器内径，cm：
e.-一环形变压器外径，cm
hT----环形变压器高度，cm；
8.初、次级组间绝缘厚度，cm：Wa—次级绕组睡数。
换算至初级满感：
Wi)\.Ls..
中，Ls2-—次级绕组换算到初级漏感，H。5.1.2减小溺感的措施
a，减少绕组重效，选用高饱乱磁感应强度、低损耗的磁性材料。b，减少绕组厚度，增加绕红高度。c，尽可能减少绕红问绝缘厚度。（4）
（5）
d，初、次级绕组采用分1层交叉绕制。e，对于形磁芯变压器，不管初、次级重效多少均应沿环形园周均匀分布。当次级绕组匝数很少，宜采用多个绕组单联的方法。f，初、次级绕机双线并绕。
5.2分布电容
任何金属件之间都有电容存在，如果这两金属之间包位差处处相等，这形成的电容为8
静电容。
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在变压器中。绕组线压之间。同一绕组上下层之间，不同绕组之间，绕组对屏敢蔽层之间沿着某一线长度方向的电位分布是变化的，泛样形成的电容就不同手静电容，称为分布电容。
5.2.1分布电容的组成
a，绕：对磁芯（或对屏蔽层）分布电容；b.各绕组间分布电容；
c.绕组与绕组间分布电容。
变压器各部分分布电容见图6。
注：开关电颜变压器通常每层统组有教多整数、每层压间总电容为每压电容串联、运小于层闻电容、故匾间电容可忽略不计。
图6变压器的分布电容
5.2.2分布电容计算
a，层间（或绕组间）静态电容
Co=0.0886
式中：Co--静态电容，PF，
一绝缘材料相对介电常数：
hm绕组高度，cm；
1me-所计算电容的层间（或绕间）平均周长，cm：oc一一层间（或绕组间）绝缘厚度和导线漆膜厚度之和，cm。b尽间（或绕组间）分布电容
Ca-Yu+UhUnt U.
式中，ULi一层间（或绕组间）低压端电位差，V：Uhi一—一层间（或绕组间）高压端电位差，V：U-绕组电压，V：
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一-动态电容，PF：表示反映在绕组电压U两端的分布电容。C，绕组对磁芯（或对屏蔽层）分布电容计算步骤同上，先按式（6）算出相关位置静态电容，然后按式（7）计算分布电容。d多层绕组分布电容
开关电源变压器每个绕组一般有很多层，且层间结构相同，闪此，务层的分布电容也相同。每绕组总分布电容为：
4 (-Um)2(NI-1).Co1
式中：Ca1一初级绕组分布电容，PFCnt
一初级绕纽每层静态电容，PF：U.一初级绕组电压，V；
Uni-—初级绕组每层电压，V；
一明级绕组去效。
次级绕计总分布电容
式中：Cd2次级绕组分布电容，PF，Co2--—次级绕组每层静态电睿，PF；N.—次级绕组县数。
次级绕组换算到初级的分布电容为W）2.cdy
C'd,=（
式中：C'da—次级绕组换算到初级的分布电容，PF：Cd2-次级绕组分布电容，PF；
WI-初级绕组血数；
（8）
（10）
W-次级绕组匝数。
为减少漏感而采用间绕方式的线圈结构时，初、次级绕组的分布电容计算公式相应为。漏磁势组数M为2
（12）
漏磁势组效M为4
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（15）
e，变服器总分布电容
变压器总分布电容为初级绕组层间总电容，次级绕组层间总电容，绕组间电容及绕组对磁芯（或绕组对屏蔽层）之间电容并联总和。Cdt=Cde+Ca+ZCa2+ZCdm*
一变压器总分布电容，Pr；
式中Cd.
Ca。—-绕组对磁芯（或绕组对屏蔽层）分布电容，P\；Ca初级绕组分布电容，P\；
Gd2一次级绕组分布电容总和，P；Cdm—所有绕组间分布电容总和，P\。5.2.3减小分布电容的措施
（16)
a，降低静态电容；采用介电常数小的绝缘材料，适当增加绝缘材料厚度，减少对应面积，尤其应注意减少高压绕组的电容：b.绕组分段绕制：
c，正确安排绕组极性，减少它们之间电位差；d，采用静电屏蔽。
5.2.4屏蔽
为了消除绕组间过分布电容产生的电耦合，防止外界高频信号对变压器工作信号和负载的干扰，必要时可采用静电屏蔽、磁芯接地及变压器加金属罩等措施。6趋肤效应
导线中通过交流电时，因导线内部和边缘部分所交链的磁通量不同，致使导线截面上的电流产生不均匀分布，相当于导线有效截面的减少，这种现象称为趋肤效应。开关电源变压器工作频率一般在20下赫以上，随着工作频率的提高，趋肤效应影响也越大。因此，在设计绕组选择电流密度和线径时必须考虑趋肤效应引起有效截面的减小。6.1穿透深度
穿透深度是：由于趋肤效应，交变电流沿导线表面开始能达到的径向深度。导线通有高频交变电流时，有效截面的减小可用穿透深度来表示。穿透深度与电流的频率，导线的磁导率及电导率的关系为：
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