半桥逆变电路中的脉冲变压器设计

2012-07-23 11:55:27来源: 互联网

半桥逆变电路中的脉冲变压器设计

随着能源的日益紧张,节能高效的电子产品得到广泛的应用,在日常照明中,电感式镇流器因为效率低,体积大而逐渐被淘汰,而高频电子镇流器越来越得到推广。图 1 为电子镇流器的基本电路,其工作原理如下:半桥逆变电路电子镇流器电路由整流滤波电路、触发电路、高频振荡电路和 LC 串联输出电路组成。在电路中,由整流桥VD1-V D4 和滤波电容器 C1 组成整流滤波电路;由电阻器 R6、电容器 C3 和双向二极管 V3 组成触发电路;由晶体管 V1、V2、二极管 V D5-VD7、电阻器 R1-R5、电容器 C2 和脉冲变压器 T(W1-W3) 组成高频振荡电路;由限流电感器 L,电容器 C4,C5 和荧光灯管 EL 组成 LC 串联输出电路。在接通电源后,交流 220V 电压经 VD1-V D4 整流及 C1 滤波后,为高频振荡电路提供 300V 左右的直流电压。该直流电压还经 R6 对 C3 充电,当 C3 两端电压充至 V3 的转折电压时,V3 迅速导通,C3 上所充电荷经 V3 对 T 的 W3 绕组放电,在T的耦合作用下,V1 和 V2 交替导通与截止,高频振荡器振荡工作。高频振荡器振荡后,在 C2 两端之间产生一个近似正弦波的交变高频电压,此电压经 C4、L1 加在 EL 的灯丝电压,当 C5 两端电压达到 EL 的放电电压时,灯管启辉点亮。
在电路中,W1-W3 是由绕制在同一个磁心上的变压器 T 组成的脉冲变压器。半桥逆变电路的电子镇流器中,脉冲变压器一般均采用环形磁心制作的变压器,为能产生良好的振荡波形,就需要选取磁滞曲线更接近矩形的材质,从而使变压器在工作时可以在很快的进入与退出饱和状态。
2 变压器参数设计
因为磁心的 B-H 决定了磁环进入与退出饱和状态的时间,所以,脉冲变压器磁心与初级绕组的圈数及初级绕组的电压对半桥逆变电路的工作频率有着决定性的影响。
在理论上根据法拉地定律所产生的振荡频率为[1]:
                         (1)
其中:  
fc 为产生的振荡频率,单位为 Hz;          
VP 为脉冲变压器初级的电压,单位为 V;
kf 为波形系数,方波取 4.0 正弦波取 4.44,这里按实际工作波形取 4.0;
Bs 为磁心的饱和磁通密度,单位为 T;
Ae 为磁心的有效截面积,单位为 cm2;
电源在工作过程中,因为开关晶体管在开关过程中也需要一定的集电极存储时间 Ts,所以设半桥逆变器的实际开关频率为 fc,开关管的实际导通时间为 Ton 则应存在以下关系[2]:
                                 (2)
其中:Ton ,Ts 单位为秒,因为在实际工作中开关晶体管在振荡过程中循环导通,所以实际的导通时间为磁心振荡频率的 1/2 ;
为了便于计算磁心工作在饱和磁场强度时所需要的圈数,我们需要引用磁场强度的方程式进行计算,具体如下:
                             (3)
其中:
Hs 为磁场强度,单位为:Oe;
N 为变压器初级铜线的圈数;
Ip 为变压器初级的电流,一般取灯管峰值的 0.5 倍,电流的单位为 A;
le 为磁心的有效磁路长度,单位为 cm;
Hs 为饱和磁场强度,单位 A/cm                       
设半桥逆变电路的交流电压 uin 为 220V 输入,经过桥式整流及电容滤波后直流总线电压为 Uin=300V,设计的振荡频率为 f=35kHz,灯管功率为 WL=55W,触发电压为 Upeak=800V,正常工作后电压为 UL=100V,晶体管选用MOTOROLA BUL45。
则可以计算出灯管正常工作后的电流 I1 可计算得出:  ,此电流可近似看为正弦波,其峰值电流为:ILP=IL×=0.55A×≈0.78A 
变压器的初级电流 IP=0.5×ILP=0.39A
根据(式3)可看出脉冲变压器的匝数需要根据所选用的磁心来确定,下面以东磁高导磁心为例说明。
在使用高导磁环制作电子镇流器脉冲变压器,从 B-H 曲线及初始磁导率,居里温度等综合考量,一般选取R5K或 R7K 的磁心来制作,其中又以 R5K(即 μi=5000)为主,东磁提供的磁环性能参数如下:
编号 A B
型号  H6.3×3.8×2.5P
 H10×6×5

ΦA(mm)
  6.3±0.15
  10.0±0.3

ΦB(mm)
  3.8±0.15
  6.0±0.3

C(mm)
  2.5±0.15
 5.0±0.3

le(mm)
 15.2
 24.1

Ae(mm2)
 3.06
 9.3

Hs(A/cm)
 0.40
 0.40

Bs(T)
 0.51
 0.51

AL (R5K) 
 1260 2550


电子镇器中的脉冲变压器一般使用外径为 6mm 与 10mm,所以我们暂取这两款磁环参数进行计算。
首先假设选用编号为 B 的 H10×6×5 的 R5K 磁环,查表可得到,le=24.1mm=2.41cm  Hs=0.40A/cm,根据(式3)可以算出初级绕组的匝数为:;
因为初级 IP=0.39A,圈数只有 2 匝,所以初级电压应不会超过 1V,假设初级电压为 1V,根据(式1)将 Bs=0.51T,N=2Ts,Ae=9.3mm2=0.093cm2 代入公式可算出振荡频率:,考虑到晶体管的存储时间 Ts 的影响,实际工作频率将小于理论值,无法达到设计输入需要的 35kHz,所以选用 B 磁环 H10×6×5 无法满足设计指标的要求。
如果采用 A 磁环 H6.3×3.8×2.5P 查表可得到,le=15.2mm=1.52cm  Hs=0.40A/cm,则初级的匝数为:(匝),考虑到生产工艺原因,这里匝数取 2 匝。因为磁环较小而且圈数少,假设 Vp=0.6V,则振荡频率为:,根据使用的开关晶体管的存储时间 Ts 确定每只开关的实际开时间,查得晶体管的存储时间 Ts=3.5
根据式 2 计算每只开关的实际开通时间为:

实际工作频率
该工作频率与设计要求的指定值非常接近,所以可以采用。
在电流源驱动模式的半桥逆变器中,功率开关晶体管的基极和发射极之间的驱动绕组即是脉冲变压器的次级绕组 Ns,设流入次级的的电流为 Is,电压为 Us,则应存在以下关系:
Ip×Up=Is×Us
因为又存在以下关系: 所以可推导出: 

                                 (4)

对于选定的 BUL45 开关晶体管,可查出在 Ic=2A,VCE=1V 时,hFE≥7 ,当为 Ic=0.78A 时,晶体管的 hFE 不会低于 10,从而可算出最小的基极电流为 0.078A,集电极的 0.78A 的电流正是电子镇流器功率开关晶体管实际工作电流 IL=0.55A 的峰值,因此,流入变压器初级绕组的电流 Ip 可近似为晶体管峰值集电极电流的一半,即 Ip=0.5×ILP=0.39A 将 Ip=0.39A,Is=IB=0.078A,Np=2 代入式 4,可得出(匝)。

下面确定变压器所需的线径:
根据公式:                                                 (5)
d:线径,单位mm;I:电流,单位A;j:电流密度,一般取 3A/mm2
可得出初级的线径: 

次级的线径:

根据上面的计算,从理论上可以确定此变压器的参数为,使用 R5K,H6.3×3.8×2.5P 磁环,初级使用 0.40mm 铜线绕 2 匝次级均为使用 0.18mm 铜线绕 10 匝,铜线可采用普通聚胺酯漆包铜线即可,对绝缘有特别要求的,可采用三层绝缘线。
3 结束语      
通过理论推导与计算可以得出所需变压器的具体参数,但在实际应用中,电路其它元件的取值与布线的影响可能还需要对变压器的各参数进行适当的调整,例如受开关晶体管基极串联电阻的阻值及其它分布参数的影响可对变压器次级基极驱动绕组的匝数进行调整,变压器的设计是一项需要实践的工作,只有在不断的设计与实践中才能积累到更多的经验与数据。

参考文献
[1]  比林斯著, 张占松, 汪仁煌, 谢丽萍译. 开关电源手册. 北京: 人民邮电出版社 2006.12
[2]  毛兴武, 祝大卫. 新型电子镇流器电路原理与设计. 北京: 人民邮电出版社 2007.9

关键字:半桥  逆变电路  脉冲变压器

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/0723/article_16535.html
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