Los transformadores de impulsos también pueden denominarse transformadores de conmutación o simplemente transformadores de alta frecuencia. En el diseño tradicional de transformadores de alta frecuencia, debido a las limitaciones de los materiales del núcleo magnético, su frecuencia de funcionamiento es baja, generalmente alrededor de 20 kHz. Con el desarrollo continuo de la tecnología de suministro de energía, la miniaturización, la alta frecuencia y la alta potencia de los sistemas de suministro de energía se han convertido en una eterna dirección de investigación y tendencia de desarrollo. Por lo tanto, la investigación sobre transformadores de potencia de alta frecuencia es un factor clave para reducir el tamaño del sistema eléctrico y mejorar la relación potencia de salida.
Con la continua expansión de la tecnología de aplicación, las fuentes de alimentación conmutadas se utilizan cada vez más, pero la principal tecnología y energía consumidas en la fabricación de fuentes de alimentación conmutadas son los componentes de los transformadores conmutados.
Las diferencias entre los transformadores de conmutación y los transformadores ordinarios son las siguientes:
(1) El voltaje de la fuente de alimentación no es una onda sinusoidal, sino una onda cuadrada de CA, y la corriente en el El devanado primario es una onda no sinusoidal.
(2) La frecuencia de funcionamiento del transformador es relativamente alta, generalmente decenas de Hz o incluso cientos de miles de Hz. Al determinar los materiales y las pérdidas del núcleo, se debe considerar la necesidad de operación de alta frecuencia y la influencia de armónicos más altos en el núcleo.
(3) Los circuitos de devanado son complejos y la mayoría de ellos tienen derivaciones centrales. Esto no sólo aumenta el tamaño del devanado primario y el volumen y peso del transformador, sino que también cambia la relación de distribución de los devanados en la ventana central.
Figura 1 Diagrama esquemático de la fuente de alimentación conmutada
Este artículo presenta un convertidor CC-CC como se muestra en la Figura 1. El voltaje de entrada es de 24 V CC y los voltajes de salida son de 5 V y 12 V respectivamente. Se requiere que la corriente de salida de cada canal sea superior a 1a. El dispositivo central es un chip modulador de ancho de pulso de control de corriente de salida de un solo extremo de alto rendimiento UC3842 producido por la empresa estadounidense Unitrode, con una frecuencia de funcionamiento máxima de hasta 200 kHz. Con base en las excelentes propiedades electromagnéticas de la aleación de ferrita de zinc y manganeso, se presentan a través de ejemplos específicos el diseño y las precauciones de un transformador de fuente de alimentación conmutada de alta frecuencia con una frecuencia de funcionamiento de 100 kHz.
Selección del núcleo del transformador y determinación del punto de funcionamiento
2.1 Selección del material del núcleo magnético
Se puede ver en los requisitos de rendimiento del transformador que los tradicionales delgados tira de acero al silicio Es difícil cumplir con los requisitos de diseño del transformador en términos de frecuencia y entorno de uso. El material del núcleo magnético solo puede considerarse a partir de aleación permal, ferrita, aleación amorfa a base de cobalto y aleación ultramicrocristalina. Las aleaciones amorfas de permalloy y a base de cobalto son caras, aproximadamente varias veces más que los materiales de ferrita, pero la intensidad de inducción magnética de saturación Bs no es muy alta y la tecnología de procesamiento es complicada. Teniendo en cuenta que la potencia de salida requerida no es alta, alrededor de 30 W, según la comparación de rendimiento de varios materiales, elegimos material de ferrita de zinc-manganeso con intensidad de inducción magnética de alta saturación Bs, buena estabilidad de temperatura, precio bajo y fácil procesamiento. Como marco para enrollar el transformador de impulsos en este ejemplo.
2.2 Determinación del punto de funcionamiento
Según la información relevante, la potencia de salida del EC35 es de 50 W y la intensidad de inducción magnética de saturación es de aproximadamente 2000 G. La intensidad de inducción magnética mensual proporcionada por el fabricante del núcleo magnético comprado no es exacta. Puede probarla de forma aproximada utilizando el método proporcionado en la Figura 2. Conecte el regulador de voltaje a la bobina primaria y observe la forma de onda del voltaje de salida de la bobina secundaria con un osciloscopio. Aumente lentamente el voltaje de entrada de la bobina primaria de pequeño a grande hasta que la forma de onda mostrada en el osciloscopio cambie repentinamente. En este momento, el núcleo magnético está saturado. Según la fórmula:
U = 4.44fn1 φ m, se puede inferir el valor de φ m a la frecuencia industrial. Si los requisitos no son elevados, el número de vueltas de la bobina primaria se puede estimar aproximadamente basándose en el φ m calculado.
Figura 2 Esquema de prueba del punto de trabajo
3 Cálculo de los parámetros principales del transformador
El convertidor flyback de un solo extremo en este ejemplo se usa ampliamente en pequeñas -fuentes de alimentación conmutadas en el diseño, son convenientes múltiples salidas. Las fuentes de alimentación flyback de un solo extremo tienen dos modos de funcionamiento: modo de corriente continua y modo de corriente intermitente. El primero es adecuado para baja potencia y el diodo secundario no tiene problemas de recuperación inversa, pero la corriente máxima del tubo MOS es relativamente grande. La corriente máxima del último tubo MOS es relativamente pequeña, pero existe un problema de recuperación inversa del diodo secundario, por lo que es necesario agregar un circuito de absorción al diodo. Estos dos modos de trabajo se pueden seleccionar según las necesidades reales y este artículo adopta el último.
Al diseñar un transformador, se deben considerar las siguientes cuestiones: frecuencia del convertidor de frecuencia f (H2); tensión primaria U1 (V), tensión secundaria U2 (V); cable de bobinado Parámetro n 1; aumento de temperatura τ (℃); caída de tensión relativa del bobinado u; temperatura ambiente τHJ (℃); densidad del material de aislamiento γ z (g/cm3)
1) Seleccione el hierro según el potencia de salida del núcleo del transformador, el valor del núcleo seleccionado debe ser igual o mayor que el valor dado.
2) Número de vueltas por voltio de devanado
(1)
ST es el área de la sección transversal del núcleo KT es el relleno; factor de la ventana;
(1)
ST es el área de la sección transversal del núcleo; KT es el factor de llenado de la ventana;
p>
3) Potencial del devanado primario
E1=U1(1- )(2)
4) Número de vueltas del devanado primario
W1= W0El (3)
5) Potencial del devanado secundario
E2i=U2i (1+ ) (4)
6) Número de vueltas del devanado secundario
W2i=W0E2i (5)
7) Corriente del devanado primario
(6)
8) Corriente del devanado secundario
(7)
Donde n1 y n2 son el número de vueltas en cada capa del devanado primario y secundario respectivamente.
9) Diámetro del hilo del devanado primario
(8)
10) Diámetro del hilo del devanado secundario
(9)
(9)
p>
Donde j es la densidad de corriente.
Los métodos y cálculos detallados de diseño del transformador son bastante complejos. Este artículo hace referencia a la fórmula empírica y sigue los siguientes pasos para diseñar el transformador de alta frecuencia en el convertidor.
3.1 Determinar la relación de transformación del transformador
Según la relación entre la tensión de salida U0
(10)
La conversión la relación es
(11)
Donde UD es la salida de voltaje CC del rectificador.
En este ejemplo, ud = 24v, f es 100kHz, tON es 0,5; n=2.
3.2 Calcule la corriente en la bobina primaria
Suponga la salida DC El voltaje U0 = 12V y 5V, y la corriente de carga es I0 = La, entonces la potencia de salida es.
P0=P1+P2+P3=29W
La eficiencia η de la fuente de alimentación conmutada generalmente está entre 60-90%. En este caso, η = 0,65, la potencia de entrada es
La corriente primaria promedio es
Suponiendo que la corriente inicial de la bobina primaria es cero, dentro del período de conducción tON de la tubo de conmutación, El centro de la corriente en la bobina primaria aumenta linealmente desde cero hasta el valor máximo I1P.
3.3 Calcular el número de vueltas del devanado primario N1.
La inductancia mínima L1 del devanado primario es
Según el tamaño de la potencia de salida P, seleccione un núcleo magnético apropiado, que puede tener forma de anillo, forma de EI, o en forma de lata. En este ejemplo, se utiliza EI28. Este tipo de núcleo tiene una potencia de salida de hasta 60W a F=50KHz y una potencia de salida de 90W a F=100KHz.
Donde Ilp——es la corriente máxima de la bobina primaria, a;
L1——inductancia primaria, h;
s——el cruce- área de sección del núcleo magnético, mm2;
BM ——La densidad máxima de flujo magnético del núcleo magnético, t.
3.4 Calcular el número de vueltas del devanado secundario N2.
Es decir, 12V da 5 vueltas y 5V da 3 vueltas.
3.5 Estimación del devanado de realimentación N3
La determinación del número de vueltas del devanado de realimentación requiere asegurar la conducción saturada del elemento de conmutación sin provocar pérdidas excesivas. Según los requisitos de UC3842, el voltaje de salida del devanado de retroalimentación debe ser de aproximadamente 13 V. Por lo tanto,
Selección de un diámetro de alambre de acero de 3,6
Basado en la estimación de entrada y salida, se debe permitir que el valor de corriente promedio de la bobina primaria alcance 2A.
1) Devanado primario
El diámetro del hilo del devanado primario puede ser hilo de cobre redondo con D = 0,80 mm y una sección transversal de 0,5027 mm2
2) Devanado secundario
De acuerdo con la corriente de salida de cada grupo, el diámetro del cable del devanado secundario se puede resolver usando el mismo diámetro de cable que el devanado primario y usando un devanado paralelo de múltiples hilos. . Para facilitar el bobinado de la bobina, también se puede elegir un cable de mayor diámetro. Debido a que la frecuencia de operación es alta, se debe considerar el efecto piel.
3.7 Devanado y aislamiento de la bobina
La cuestión más importante al bobinar un transformador de conmutación es encontrar una manera de acoplar firmemente las bobinas primaria y secundaria para reducir la inductancia de fuga del transformador. Debido a la corriente de fuga, si la detección es demasiado grande, provocará un pulso de pico grande que romperá el tubo de conmutación. Por lo tanto, al enrollar la bobina del transformador de alta frecuencia, la distancia entre la bobina primaria y la bobina secundaria debe ser lo más cercana posible.
Específicamente, se pueden utilizar los siguientes métodos:
(1) Método de bobinado paralelo de doble hilo.
Los hilos esmaltados de las bobinas primaria y secundaria se enrollan en paralelo, que es el llamado devanado en paralelo de dos hilos. De esta manera, se minimiza la distancia entre la línea primaria y la línea secundaria y la inductancia de fuga se puede reducir al mínimo. Sin embargo, este método de bobinado no es fácil de enrollar y la tensión soportada entre los dos cables es baja.
(2) Método de bobinado capa por capa
Para superar las deficiencias del método de bobinado en paralelo, que tiene una resistencia de voltaje baja y es difícil de enrollar, el primario y el Se adoptan métodos de devanado de capas secundarias, a saber, 1, 3. Las 5 filas de capas impares se utilizan para enrollar el devanado primario, y las 2, 4 y 6 filas de capas pares se utilizan para enrollar el devanado secundario. Este método de envoltura aún puede mantener el acoplamiento entre el primario y el secundario, y también puede colocar papel aislante entre el primario y el secundario para mejorar el nivel de aislamiento.
(3) Método de devanado tipo sándwich
El devanado secundario se enrolla en el medio del devanado primario y el devanado primario se enrolla dos veces. Este método de bobinado sólo añade una junta al bobinado primario, tiene un proceso simple y es conveniente para la producción en masa.
En este ejemplo, para reducir la influencia de los parámetros distribuidos, el primario adopta una estructura de conexión de devanado paralelo de dos hilos y el secundario utiliza un devanado segmentado en serie, lo que se denomina método de devanado apilado. . Reduzca la diferencia de voltaje entre devanados y mejore la confiabilidad del transformador. En términos de aislamiento del transformador, se debe utilizar tanto como sea posible papel aislante de fibra compuesta con alta resistencia eléctrica y baja pérdida dieléctrica para mejorar la resistencia del aislamiento y la resistencia a la corona entre primario y secundario. En este caso, dado que no se trata de alto voltaje, las cuestiones de aislamiento no requieren consideración especial.
4 Conclusión
El transformador de impulsos de devanado es una tarea importante en la fabricación de una fuente de alimentación conmutada y también consume mucho tiempo y energía en el proceso de diseño y fabricación. El transformador está bien hecho y se ha completado más del 70% de todo el trabajo de diseño y producción. De lo contrario, se puede producir una parada por vibración, aullidos, voltaje de salida inestable, baja capacidad de carga, etc. Cuando la temperatura del transformador aumenta
(1) Incluso si el voltaje de entrada es el máximo y el dispositivo de conmutación principal tiene el tiempo de conducción más largo, el núcleo del transformador no se saturará;
(2) La bobina primaria y el acoplamiento entre las bobinas secundarias son mejores y la inductancia de fuga es menor;
(3) Los transformadores de conmutación de alta frecuencia aumentarán la resistencia del cable debido al efecto de la piel, por lo que se debe reducir la densidad de corriente. Generalmente, la densidad máxima de flujo magnético durante el funcionamiento depende de la bobina secundaria.
(12)
(4) En términos generales, cuando se utiliza núcleo de ferrita E128, el Bm debe controlarse por debajo de 3 kg.