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RCC式开关衡水油浸式变压器

网站编辑:衡水变压器厂 │ 发表时间:2019-04-12 | 点击:67

RCC电路原理简单,由开关衡水油浸式变压器和主开关管谐振产生振荡,副开关管可以调节占空比,以此调节输出电压。但是RCC衡水油浸式变压器的占空比、工作频率随使用环境和内部参数的变化而改变,使得开关管控制极的电流驱动波形难以确定,给器件参数选定,尤其是衡水油浸式变压器的设计带来困难。传统设计主要有诺模图法和磁芯面积乘积AP计算校验法。这两种方法在定频率计算中较实用,但若未知频率,将不能用以上两种方式设计。传统的方法是给RCC衡水油浸式变压器预设一频率,然后设计衡水油浸式变压器。但因衡水油浸式变压器参数直接影响到衡水油浸式变压器的工作频率,所设计的衡水油浸式变压器工作频率经常与预设频率相差太大而不能正常工作;衡水油浸式变压器参数需多次重复设计,导致初期设计计算量大,而且该“拼凑法”在后期调试中,实际频率很难与理论值吻合,导致衡水油浸式变压器不能工作在设计的最佳状态。
本文推导出频率计算公式,并得出频率与输入电压成正比,与负载电流、初、次级电感量成反比。在确定的输入电压和已知的最大输出功率下,根据衡水油浸式变压器给定的输入电压、输出电压、额定工作频率和占空比直接求取衡水油浸式变压器的初、次级匝数,一次设计就能确定衡水油浸式变压器所有参数,解决了高频衡水油浸式变压器设计中需要反复设计与验证的问题。基于该方法设计了一台5V/10A的开关衡水油浸式变压器(直衡水油浸式变压器),并对衡水油浸式变压器的工作频率、占空比等参数进行了验证。

1 RCC原理
1.1 RCC原理 电路如图1,上电后,C3两端电压使电流经起振电阻R1,R2,驱使主开关管Q1导通,随着Q1导通,经由反馈电感T1的反馈信号加强对Q1控制极正向驱动,使Q1迅速导通。因感应电动势与电流变化率成正比,当衡水油浸式变压器初级电流最大(饱和导通)时,T1’两端电压为0,Q1退出饱和状态开始关断。此时,T1’感生反向电动势,加速Q1关断,同时饱和状态R4两端电压驱使Q2开通,并将Q1控制极短路,使Q1关断,经起振电阻R1,R2重新使Q1导通,依此循环。RCC电路始终工作在临界导通模式,不会出现反激变换中的连续能量传递模式,其初级电流始终都是一个锯齿形三角波形,而不会出现梯形波。RCC电路调节电压的输入方式是通过控制初级峰值电流来实现的。

1.2 自振荡频率计算
若衡水油浸式变压器T1的初级、次级电流为i1,i2,电压为u1,u2,匝数为N1,N2,电感量为L1,L2,分析衡水油浸式变压器初级电感,由电磁感应定律知,在导通时间△t下有以下关系:

由式(8)可知,占空比与衡水油浸式变压器初级电感量L1成正比,与输入电压u1、次级电感量L2成反比,占空比不受初、次级电流变化的影响。 理想状态下衡水油浸式变压器的输入输出能量相等:


由式(10)可知,振荡频率f随u1的升高而升高,随输出电流i2、初次级电感量L1,L2的增大而减小。根据式(8),式(10),可确定衡水油浸式变压器的初、次级电感L1,L2,它们是检验衡水油浸式变压器能否达到设计要求的重要参考。

2 设计实例
基于频率计算法设计了一个50 W的RCC开关衡水油浸式变压器(直衡水油浸式变压器),其原理图如图2所示。为了图面清晰,图中未画出工频滤波和整流电路。该衡水油浸式变压器采用典型RCC拓扑结构,其整流、滤波、缓冲吸收电路、电压负反馈电路、过流控制的设计可参照文献。

2.1 选择磁芯
所设计的衡水油浸式变压器最大输出功率为Pout=50W,所需的输入功率Pin=Pout/η,预计效率为0.8,以时衡水油浸式变压器能承载的最大功率应不小于62.5 W。若设计的衡水油浸式变压器最低工作频率不低于50 kHz,查磁芯参数表知,EE30磁芯在50 kHz时最大输出功率为64 W,能满足所需功率的要求,其磁芯有效截面积Ae=109mm2。
2.2 求初、次级匝数 自激反激式衡水油浸式变压器匝数N的计算公式为:

式中:输出电压u2=5.7V(含整流管压降0.7V),若允许磁芯工作磁通密度Bw≤120mT,将Bw代入式(11)得N2≥4.35,则取整为5匝。 由于衡水油浸式变压器的输入/输出能量相等:

&nbshttp://liupanshui.tjsdtl.com/p; 由于次级最大平均电流为10 A,设计占空比D为0.3,则输出瞬时极限电流I2max=28.57 A,由式(6)解出次级电感量L2=2.45μH。同理可以得出初级极限电流Imax=1.34A,初级电感量L1=1.39mH。由式(4)知N1=106。
2.3选定线径 漆包线电流密度J=4 A/mm2,则线径为:

相应可得初次级绕组线径分别为:φ1=0.253 mm,φ2=1.784 mm。对照GB(国标)线径表,取接近且不小于计算值的初级线径为0.28 mm,次级线径为1.25mm,两股并绕。
2.4 磁芯窗口空间校验
线圈所占窗口面积为:

查相应磁芯参数表知,EE30磁芯的窗口面积Aw=73.35 mm2,若窗口使用系数取推荐经验值0.4,则0.4Aw=29.34 mm2>Aw1,磁芯空间可以容下绕组。
2.5 气隙计算
为了有效防止磁芯磁饱和,RCC式开关衡水油浸式变压器(直衡水油浸式变压器)高频衡水油浸式变压器应在磁芯中插入气隙,使磁芯的导磁率下降。气隙Lg的计算公式为:

式中:μ0为真空中磁导率,所有量均为已知。计算得Lg=1.26 mm。由于磁芯为EE型对称安装,磁芯气隙均分到磁芯所留空隙中,EE30磁芯安装时,需要保留Lg/2=0.63mm的间隙。衡水油浸式变压器的主要参数如表1所示。

3 实验结果及分析
输出电流为10 A时初级电流i1和次级电压u2如图3所示。从数字示波器的波形可以看出,此时的占空比D为0.31,与设定的占空比相差3.33%,频率f为47.6 kHz,与设定频率相差3.93%。这是由于高频衡水油浸式变压器次级线圈取整引起的,通过调节磁芯气隙可以简捷调节衡水油浸式变压器初、次级线圈的电感值,使各项指标与理论值相吻合。因误差不大,该设计中没有做此调整。

采用自耦衡水油浸式变压器调压,测得在母线电压降低为250 V,次级电流保持10 A时次级电压如图4所

此时的占空比D为0.36,频率f为40 kHz,说明RCC衡水油浸式变压器工作占空比随输入电压的减小而增大,工作频率随输入电压的减小而减小。将u1=250 V代入占空比计算式(8)和频率计算式(10),求解得出D=0.343,f=40.7 kHz,实际工作占空比与理论值相差5.56%,工作频率与理论值相差1.72%。输入电压为300 V,输出电流为5 A时,衡水油浸式变压器次级线圈电压如图5所示。
此时的占空比D为0.3,频率f为100 kHz,说明当改变输出电流值时,衡水油浸式变压器的工作占空比并没有发生变化,占空比与输出电流大小没有关系。而工作频率随输出电流的减小而线性增大。将io=5 A代入占空比计算式(8)及频率计算式(10),求解得出D=0.3,f=92 kHz,工作频率与理论值相差8.69%。

4 结语
RCC电路通过衡水油浸式变压器初级线圈与开关管谐振产生自振荡,在输入电压和负载一定时,振荡频率受初、次级电感量的影响较大。因RCC工作频率可变,而过低频率将导致磁芯磁饱和,因此设计RCC衡水油浸式变压器时必须留有气隙,以增大磁阻,防止磁芯饱和。与普通衡水油浸式变压器工作方式不用,RCC衡水油浸式变压器初、次级线圈相当于储能电感,加之衡水油浸式变压器磁芯装配预留气隙产生的漏感以及缓冲网络引发的损耗,不能简单用初级的压匝比求次级匝数。为此,本文提出了一种用于RCC开关衡水油浸式变压器(直衡水油浸式变压器)设计的频率计算验证方法,可以根据衡水油浸式变压器的输入电压、输出电压、工作频率和占空比等参数直接计算衡水油浸式变压器的相关参数。依照该方法设计的衡水油浸式变压器不需重复设计和校验即可工作在预设的状态,解决了RCC衡水油浸式变压器需反复设计的问题。基于该方法设计了一台实验样机,实验表明,其工作状态与设定状态基本一致,说明用衡水油浸式变压器匝数直接计算法设计RCC衡水油浸式变压器是可行和有效的。本文推导出了Rcc衡水油浸式变压器的工作频率、占空比与衡水油浸式变压器初、次级电感量、输入电压、输出电流的关系,为RCC式开关衡水油浸式变压器(直衡水油浸式变压器)的设计和调试提供了依据。
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