Рассчитываю трансформатор для классического полумоста на полевых транзисторах. Использую драйвер ir2153. Схематично изображено здесь:

Нажмите для просмотра прикрепленного файла


Частота f=60000 Гц, мощность трансформатора 55W. Выходное напряжение в районе 950 В действующего значения. Нагрузка имеет чисто резистивный характер и может быть любя из диапазона от 16кОм до 110 кОм.
Сердечник выбран: EFD30/15/9, N87 все от EPCOS.
Параметры EFD30 прикрепил:

Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Расчет начинаю с определения числа витков первичной обмотки (w1). Кладу Bmax=0.130Т, U1=150В.


w1 = U1m/(4*q*Bmax*S*f), здесь q = T/(2tи), где tи = T – 2*dtime = T – 2*0.6мкс. (dtime – мертвое время в ir21531). Получаю w1 = 64 витка.

Далее рассчитываю количество витков во вторичной обмотки: w2 = U2/(4*sqrt(q)*Bmax*S*f), здесь U2=950В. В итоге получаю w2 = 422 витка.

Дальше пытаюсь выбрать необходимый зазор. Вот здесь у меня возникают вопрос, а правильно ли я это делаю?

Возьмем максимальный ток текущий через первичную обмотку равным Imax1 = P/150В = 55/150 = 0.366 ~=0.4А (с запасом).

Подсчитаем, а чему будет равна магнитная индукция, если я выберу набор ферритов от EPCOS с зазором 0.27 мм. Использую эту формулу B = мю0 * мюe * Imax1*w1/L, здесь из datasheet на EFD30/15/9 для феррита N87 с зазором 0.27 мюe = 256, L = 68 мм (длина средней линии). Подставляем и получаем что B будет равно 0.121 Т . Ура! Сердечник не войдет в насыщение. Более того, даже если я залажусь на ток равный Imax1 = 1А – индукция не превзойдет 300мТ.

Но на практике у меня получается что при линейном уменьшении нагрузки и ее приближении к 20 кОм я наблюдаю далеко не линейное увеличение тока через первичную обмотку. Как следствие перегрев транзисторов и трансформатора.

Вопрос: Правильно ли я все рассчитал? Скажу сразу, что большого опыта в расчете трансформаторов нет, так что нуждаюсь в вашей помощи.

А зачем там зазор? Я делал без зазора и все прекрасно работает

Если я все правильно понимаю, то:
Когда нет зазора, эффективная магнитная проницаемость мю_e равна 1610 (взята из описания EFD30).
Далее. Предположим, что для нас максимально возможным значением магнитной индукции является значение равное Bmax = 300мТ. Если магнитная индукция превысет данный порог, то считаем, что наш трансформатор вошел в насыщение. Далее смотрим какой ток должен теч через первичную обмотку* , чтобы магнитная индукция стала равной 300мТ, при заданной мю_e равной 1610.
Imax = Bmax*L/(мю0*мю_e*w1), получаем Imax = 0.157 А. То есть если ток больше 0.157, то трансформатор перестает быть трансформатором (насыщение).

То есть, наш трансформатор может максимум отдать 20W, а не 55W.

* Возможно я здесь ошибаюсь и рассчитывать по этой формуле необходимо максимальный ток намагничивания, а не максимальный ток в первичной обмотке.

Опять вопрос к знатокам. Правильно ли я рассчитываю зазор в трансформаторе? Очень нужна ваша помощь.

Зазор в трансформаторе для прямоходовых преобразователей вообще не нужен и даже вреден, т.к. увеличивается ток намагничивания. Вот в обратноходовых преобразователях (флайбэк) трансформатор должен запасать энергию и поэтому его лучше называть двухобмоточным дросселем - во избежание недоразумений.
Самая первая формула гарантирует ненасыщение на холостом ходе (и, что интересно, число витков не зависит от наличия зазора и величины мю).
Но и при работе на нагрузку, когда ток через w1 увеличится (поскольку к току намагничивания добавится ток нагрузки), насыщения всё равно не будет потому что увеличение магнитного потока от тока первичной обмотки компенсируется потоком, создаваемым током во вторичной обмотке. Ну, почти компенсируется, при коэффициенте связи между обмотками близком к 1.
Посмотрите раздел форума "Питание, блоки питания, охлаждение", там найдутся и рассуждения на тему расчёта и ссылки на литературу.

Для случая без зазора:

Индуктивность намагничивания: L0 = (мю*мю_e*S*w1^2)/L = 8.4 мГ.
Ток на холостом ходу (ток намагничивания) Iмаг = U1*dt/L0 = 0.148А, здесь dt - длина импульса равная около 8мкс.
Как я понял, ток намагничивания не зависит от тока нагрузки - найдем чему будет равна магнитная индукция при данном токе намагничивания - B = (Iмаг*w1*мю*мю_e*)/L = (мю_e=1610) = 0.281 мТ. - многовато однако - большие потери в сердечнике будут при частоте 60кГц.

Что это за магнитная индукция, которую мы используем в самом начале при рассчете количества витков?

В самом начале Вы ошиблись в количестве витков ровно в 2 раза - "четвёрка" в знаменателе уже учитывает, что к первичной обмотке трансформатора прикладывается половина напряжения питания, а Вы его ещё поделили на 2. В итоге, после всех этих сложных вычислений через "мю" должно было бы получиться 0,26 Т, т.е. ровно в 2 раза больше исходного значения.

В самом начале всё верно. Используется широко известная формула
U=w*S*dB/dt
и предполагается, что за время одного полупериода (точнее, за время T/2 - dtime) индукция меняется от -Bmax до +Bmax.

А вот при расчёте с использованием индуктивности и тока через обмотку (U=-L*dI/dt) в результате получается не ток, а _изменение_ тока за половину периода, ток за это время изменяется от -Iмаг/2 до +Iмаг/2. Если посчитать поточнее то и для индукции должно получиться изменение в точности от -Bmax до +Bmax.

Зазор в таком трансе вообще говоря не нужен, разве что как подстраховка от насыщения при "жестком" старте. Почитайте статью ТРАНСФОРМАТОРЫ И ДРОССЕЛИ ДЛЯ ИМПУЛЬСНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ, там все расписано, и примеры расчета есть.

Таки да, не заметил, что tи обозначает суммарную длительность двух полупериодов.

Вопрос: Правильно ли я все рассчитал? Скажу сразу, что большого опыта в расчете трансформаторов нет, так что нуждаюсь в вашей помощи.
[/quote]

Неплохая книга POWER SUPPLY COOKBOOK- Marti Brown, есть перевод- источники питания- расчет и конструирование, МК Пресс Киев 2005. К сожелению ссылки в сети не знаю, читал на бумаге.

Спасибо за книги. Буду в Москве посмотрю.

Сейчас хочу показать то, что намерил сегодня:

Вот результаты для нагрузки 22 W:

C зазором 0.27:
Iмаг (на холостом ходу)=0.187А
Uвых = 898 В (все измерения напряжения производились с помощью мультиметра true rms и делителя 1:7)
Tтр = 52 градусов (температура трансформатора).
Осциллограмма:
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
В клетке 350 вольт.


Без зазора:
Iмаг (на холостом ходу)=0.054А
Uвых = 1107 В (все измерения напряжения производились с помощью мультиметра true rms и делителя 1:7)
Tтр = 65 градусов (температура трансформатора).
Осциллограмма:
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
В клетке 350 вольт.



Вот результаты для нагрузке 52W:

C зазором 0.27:
Uвых = 910 В (все измерения напряжения производились с помощью мультиметра true rms и делителя 1:7)
Tтр = 51 градусов (температура трансформатора).
Осциллограмма:
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
В клетке 350 вольт.


Без зазора:
Iмаг (на холостом ходу)=0.054А
Uвых = 1218 В (все измерения напряжения производились с помощью мультиметра true rms и делителя 1:7)
Tтр = 57 градусов (температура трансформатора).
Осциллограмма:

Она имеет такую же форму как и выше, но амплитуда на 350 вольт больше.


Осциллограф старенький - по нему можно только форму сигнала смотреть - напряжение им точно уже не померяешь.


Возникают вопроссы:
Почему напряжения на столько различны (с зазором и без него)? Почему температуры в трансформаторе без зазора больше чем в трансформаторе с зазором? Почему без зазора разница в напряжении для 22Вт и 52 Вт (она около 100В) больше чем для трансформатора с зазором (около 20В)?



Спасибо.

При таком большом выходном напряжении надо учитывать влияние паразитной емкости вторичной обмотки. Она велика из-за большого числа витков, а энергии на ее перезаряд надо много из-за большого выходного. Например, если емкость вторичной равна 100 пФ, то для ее заряда до 1000 В требуется энергия E=C*U^2/2=50 мкДж. B каждом периоде эту энергию надо закачать дважды: чтоб зарядить емкость, а потом чтоб разрядить. При частоте 60 кГц мощность нужна P=E*2*f=6 Вт.

Когда вы вводите зазор в сердечник, то увеличиваете индуктивность рассеяния. Индуктивность рассеяния вместе с емкостью вторички образуют последовательный колебательный контур, настроенный на какую-то частоту. При увеличении индуктивности рассеяния резонансная этого контура снижается и становится ближе к собственной частоте преобразователя 60 кГц. Из-за этого несколько бОльшая часть энергии, запасенной в паразитной емкости вторички, будет рекуперирована, поэтому потери уменьшаются, транс греется меньше.

Такого же эффекта можно добиться, если влючить последовательно с первичкой дроссель. Индуктивность дросселя можно подобрать, чтобы частота контура была близка к частоте преобразователя, при этом потери будут минимальны.

На осциллограммах хорошо видна колебательная природа процессов, особенно при малой нагрузке. Видно, что фронт переключения работает против колебательного контура. Была бы частота у контура поменьше, тогда фронт пришелся бы не на пик, а на провал.

Странно, но в некотрых источниках говорится что индуктивность рассеявания определяется только параметрами намотки проводов и не зависит от зазора. Но в других источниках, которым я склонен верить, говорится о том, что при зазоре магнитное поле начинает выпучиваться и меньшая часть замыкается через сердечник и как следствие увеличение Ls.


Вообщем спасибо всем помогавшим. Сейчас жду, когда подвезут транзисторы на замену сгоревшим и потом, если будут опять вопросы обязательно спрошу.