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分享一個反激變壓器Ap算法(改進版)

     在設計反激變壓器時經(jīng)常會采用Ap法來選擇磁芯,然而常見的Ap法公式算出的結果并不準確(普遍偏小)通常還要結合經(jīng)驗法。從原理講Ap法并無不妥,造成偏差的原因在于波形系數(shù)設置的不正確,下面將用公式逐一的推出和驗證反激變壓器的正確的波形系數(shù)。

Ap算法(改進版02).pdf
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2017-02-24 13:19

  變壓器主要是由磁芯和導線繞組構成,正常工作的變壓器要滿足磁芯不飽和導線不過流的要求,Ap法正是基于這個原理設置了一個最大的BmJm算出最小的AeAw(Ae磁芯截面積、Aw窗口面積)Ap=Ae*Aw所以單位是面積乘積。這里的波形系數(shù)也是由兩部分組成的(內(nèi)部有關聯(lián))一個是從磁的角度一個從電的角度。

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2017-02-24 13:56
@boy59
  變壓器主要是由磁芯和導線繞組構成,正常工作的變壓器要滿足磁芯不飽和導線不過流的要求,Ap法正是基于這個原理設置了一個最大的Bm和Jm算出最小的Ae和Aw(Ae磁芯截面積、Aw窗口面積),Ap=Ae*Aw所以單位是面積乘積。這里的波形系數(shù)也是由兩部分組成的(內(nèi)部有關聯(lián))一個是從磁的角度一個從電的角度。

  從磁的角度由法拉第電磁感應開始

E=Kf*Bm1*Ac*N*f*10^x                        公式(1

公式后面的10^x跟所選取的單位有關在以后的推導中將忽略這一項,常數(shù)Kf在正弦波工作時選取4.44,方波時取4,對于正弦波或方波默認的占空比為0.5。

對于反激變壓器作用在磁芯上的只有正半周的占空比為0.5的方波(脈沖矩形波),公式(1)中的Bm1=Bm/2(Bm表示峰峰值),將公式變換一下得

   E*0.5=2*Bm1*Ac*N*f                            公式(2)

等式前面的0.5表占空比,后面的2*Bm1表峰值,公式再變換得

   U*Don=Bm*Ac*N*f                                公式(3)

從公式(3)可以看出對于反擊變壓器這種脈沖矩形波,波形系數(shù)中是沒有4.441.11的。

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2017-02-24 14:34
@boy59
  從磁的角度由法拉第電磁感應開始E=Kf*Bm1*Ac*N*f*10^x                       公式(1)公式后面的10^x跟所選取的單位有關在以后的推導中將忽略這一項,常數(shù)Kf在正弦波工作時選取4.44,方波時取4,對于正弦波或方波默認的占空比為0.5。對于反激變壓器作用在磁芯上的只有正半周的占空比為0.5的方波(脈沖矩形波),公式(1)中的Bm1=Bm/2(Bm表示峰峰值),將公式變換一下得  E*0.5=2*Bm1*Ac*N*f                           公式(2)等式前面的0.5表占空比,后面的2*Bm1表峰值,公式再變換得  U*Don=Bm*Ac*N*f                               公式(3)從公式(3)可以看出對于反擊變壓器這種脈沖矩形波,波形系數(shù)中是沒有4.44或1.11的。

公式(3)屬臨界狀態(tài)方程更準確的表達式如下式

U*Don=B*Ac*N*f   (△B=Bm               公式(1-4)

法拉第電磁感應只跟變化的磁通有關,在臨界模式剛好變化的磁通=峰值磁通既△B=Bm。

連續(xù)模式下的磁通先參看下圖

                                       1-1 電流波形系數(shù)定義

電和磁是緊密關聯(lián)的,有電就有磁有磁既有電(這里的電指“凈”電,對于正激變壓器“凈電”=輸入電流-輸出電流),通過觀察電流的情況既可得知磁通的變化情況。通過圖1-1可知變化的電流△I=(1-k)*Ipk,則推出變化的磁通△B=1-k*Bm,將△B代入公式(1-4

U*Don=(1-k)*Bm*Ac*N*f            公式(1-5)

公式(1-5)中的1-k既為磁的波形系數(shù),對于臨界和斷續(xù)模式k=0。

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2017-02-24 16:59
@boy59
公式(3)屬臨界狀態(tài)方程更準確的表達式如下式U*Don=△B*Ac*N*f  (△B=Bm)              公式(1-4)法拉第電磁感應只跟變化的磁通有關,在臨界模式剛好變化的磁通=峰值磁通既△B=Bm。連續(xù)模式下的磁通先參看下圖[圖片]                     圖1-1電流波形系數(shù)定義電和磁是緊密關聯(lián)的,有電就有磁有磁既有電(這里的電指“凈”電,對于正激變壓器“凈電”=輸入電流-輸出電流),通過觀察電流的情況既可得知磁通的變化情況。通過圖1-1可知變化的電流△I=(1-k)*Ipk,則推出變化的磁通△B=(1-k)*Bm,將△B代入公式(1-4)U*Don=(1-k)*Bm*Ac*N*f           公式(1-5)公式(1-5)中的1-k既為磁的波形系數(shù),對于臨界和斷續(xù)模式k=0。

從電的角度考慮的是導線損耗和發(fā)熱,對于磁關注的是最大磁通密度Bm,對于電關注的是有效電流值,導線的峰值電流并不是主要問題。

   關于有效值波形系數(shù)的表達式如下圖

                                      1-2 有效值波形系數(shù)

對于反激變壓器斷續(xù)、臨界模式是波形(3)脈沖鋸齒波,連續(xù)模式是波形(9)梯形波。電流密度和電流有效值的關系公式如下:

Irms*N=Jm*Aw*ku                                       公式(2-1)

式中ku表示窗口系數(shù)一般取0.3-0.5。

公式(2-1)中的電流有效值是初級+次級總的有效值,有些公式直接代用了圖1-2的波形 (9)梯形波公式并不合適,總的電流有效值計算起來有些麻煩所以換一種等效法來解決這個問題。

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2017-02-24 18:03
@boy59
從電的角度考慮的是導線損耗和發(fā)熱,對于磁關注的是最大磁通密度Bm,對于電關注的是有效電流值,導線的峰值電流并不是主要問題。   關于有效值波形系數(shù)的表達式如下圖[圖片]                    圖1-2有效值波形系數(shù)對于反激變壓器斷續(xù)、臨界模式是波形(3)脈沖鋸齒波,連續(xù)模式是波形(9)梯形波。電流密度和電流有效值的關系公式如下:Irms*N=Jm*Aw*ku                                      公式(2-1)式中ku表示窗口系數(shù)一般取0.3-0.5。公式(2-1)中的電流有效值是初級+次級總的有效值,有些公式直接代用了圖1-2的波形(9)梯形波公式并不合適,總的電流有效值計算起來有些麻煩所以換一種等效法來解決這個問題。

等效法參考下圖:



                                             1-3 等效法分析有效電流

1-3中為簡化分析將匝比設為1:1,圖(a)為正常的反激工作方式,在Ton時刻初級線圈導通初級電流為Ip,在Toff時刻次級線圈導通次級電流為Is,在整個T周期初、次級線圈是輪流導通的導線利用率是0.5。圖(b)與圖(a)在功率處理上是完全相同的,由于電流都在初級分析比較容易。圖(b)與圖(a)的區(qū)別就是沒有隔離功能,次級線圈雖然沒有電流但占了窗口面積,導線利用率也是0.5。電流的波形系數(shù)將由圖(b)推導出來。

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2017-02-24 20:24
@boy59
等效法參考下圖:[圖片]                        圖1-3等效法分析有效電流圖1-3中為簡化分析將匝比設為1:1,圖(a)為正常的反激工作方式,在Ton時刻初級線圈導通初級電流為Ip,在Toff時刻次級線圈導通次級電流為Is,在整個T周期初、次級線圈是輪流導通的導線利用率是0.5。圖(b)與圖(a)在功率處理上是完全相同的,由于電流都在初級分析比較容易。圖(b)與圖(a)的區(qū)別就是沒有隔離功能,次級線圈雖然沒有電流但占了窗口面積,導線利用率也是0.5。電流的波形系數(shù)將由圖(b)推導出來。

一種比較簡單的方法是采用中心電流法,如下圖

                               1-4 中心電流Ia

用中心電流Ia來代替有效電流,方程如下

Ia*N=Jm*Aw*Ku*0.5                            公式(2-2)

前面有提到反激電路或其等效電路導線的利用率只有0.5所以公式中要多乘以0.5

將中心電流方程代入公式(2-2)得

Ipk*N=Jm*Aw*Ku/(1+k)                       公式(2-3)

公式(2-3)中的1/(1+k)既為電流的波形系數(shù)。

將公式(2-3)電方程和公式(1-5)磁方程等式兩邊分別相乘,

U*Don*IPk=f*Jm*Bm*Ae*Aw*ku*(1-k)/(1+k) 整理得

  公式(2-4)

公式(2-4)為簡潔版AP算法,(1+k/(1-k)既為波形系數(shù)。  

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2017-02-24 22:06
@boy59
一種比較簡單的方法是采用中心電流法,如下圖[圖片]                 圖1-4中心電流Ia用中心電流Ia來代替有效電流,方程如下Ia*N=Jm*Aw*Ku*0.5              公式(2-2)前面有提到反激電路或其等效電路導線的利用率只有0.5所以公式中要多乘以0.5將中心電流方程代入公式(2-2)得Ipk*N=Jm*Aw*Ku/(1+k)                      公式(2-3)公式(2-3)中的1/(1+k)既為電流的波形系數(shù)。將公式(2-3)電方程和公式(1-5)磁方程等式兩邊分別相乘,U*Don*IPk=f*Jm*Bm*Ae*Aw*ku*(1-k)/(1+k)整理得[圖片]  公式(2-4)[圖片]公式(2-4)為簡潔版AP算法,(1+k)/(1-k)既為波形系數(shù)。 

1-4的電流是鋸齒波,其有效值的表達式為

 (有興趣的可自行推導),

代入深度系數(shù)k

Irms=Ipk*sqrt(1/3*(1/2-k/2)^2+1/4*(1+k)^2)

=Ipk*sqrt[1/3*(1+k+k^2)]        

最終比較精確的AP算法為:


  公式(2-5)


轉換成功率相關的表達式為:

  公式(2-6)


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2017-02-27 08:50
@boy59
圖1-4的電流是鋸齒波,其有效值的表達式為[圖片] (有興趣的可自行推導),代入深度系數(shù)kIrms=Ipk*sqrt(1/3*(1/2-k/2)^2+1/4*(1+k)^2)=Ipk*sqrt[1/3*(1+k+k^2)]       最終比較精確的AP算法為:[圖片]  公式(2-5)轉換成功率相關的表達式為:[圖片] 公式(2-6)[圖片]
公式(2-5)推導過程中Iac應等于Ipk*(1-k)/2,漏掉了1/2現(xiàn)已更正,圖1-2中的梯形波設To=T則二者結果一致。
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2017-03-19 12:56
@boy59
公式(2-5)推導過程中Iac應等于Ipk*(1-k)/2,漏掉了1/2現(xiàn)已更正,圖1-2中的梯形波設To=T則二者結果一致。
更正公式(2-5) 波形系數(shù)中的常數(shù),由原來的2更正至sqrt(2)=1.414。
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2017-05-11 17:55

Kg法及其推導過程:



其中

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yuyang0625
LV.2
12
2017-05-12 17:08
@boy59
Kg法及其推導過程:[圖片]其中[圖片]
學習ing~~
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jiyaofei
LV.2
13
2017-06-21 16:33
@yuyang0625
學習ing~~
看不懂啊,
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2017-06-21 17:47
@jiyaofei
看不懂啊,
······是指哪部分?
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xmxuexi002
LV.1
15
2018-11-28 16:25
@boy59
Kg法及其推導過程:[圖片]其中[圖片]

你好,Kg=Aw*Ac^2/MLT

其中Ac是指下面這個嗎?若是的如何計算Ac?

Ac:actual conductor area

Ac:有效導線面積,即初、次級導線面積與圈數(shù)乘積之總和

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2018-11-28 19:56
@xmxuexi002
你好,Kg=Aw*Ac^2/MLT其中Ac是指下面這個嗎?若是的如何計算Ac?Ac:actualconductorareaAc:有效導線面積,即初、次級導線面積與圈數(shù)乘積之總和
Ac=Ae,有些資料是用Ae來表述的既磁芯有效截面積。
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l135246
LV.1
17
2019-01-29 22:20
怎么下載
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ding517
LV.4
18
2019-08-19 15:54
@boy59
Ac=Ae,有些資料是用Ae來表述的既磁芯有效截面積。
半橋開關電源AP公式是什么?
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heljean
LV.1
19
2019-08-25 09:28
@boy59
圖1-4的電流是鋸齒波,其有效值的表達式為[圖片] (有興趣的可自行推導),代入深度系數(shù)kIrms=Ipk*sqrt(1/3*(1/2-k/2)^2+1/4*(1+k)^2)=Ipk*sqrt[1/3*(1+k+k^2)]       最終比較精確的AP算法為:[圖片]  公式(2-5)轉換成功率相關的表達式為:[圖片] 公式(2-6)[圖片]
公式(2-5)里面的k與Ipk應該有聯(lián)系吧,是先確定k的值呢?還是先確定Ipk的大?。?/div>
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2019-08-26 09:10
@heljean
公式(2-5)里面的k與Ipk應該有聯(lián)系吧,是先確定k的值呢?還是先確定Ipk的大?。?/span>
k和Ipk是有一定的關系類似于圖1-4,有些資料會整理成跟Io有關的表達式,設計時可以先確定k(工作模式)。
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2020-08-14 15:24

把Ap公式整理成與功率相關的函數(shù)后可以看出深度系數(shù)k對變壓器體積的影響。(有資料建議k<0.8,精通一書建議k<0.667)

                                  圖2-1 變壓器體積與深度系數(shù)的關系

再把深度系數(shù)k換成電流紋波率r并同《精通開關電源設計》書中內(nèi)容做對比如下:

在區(qū)間1~2結果略低于精通一書的圖,總體二者差別不大。

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