單端反激式開關(guān)電源變壓器

郭慶明，何云峰，王昌明，張愛軍

（南京理工大學(xué) 精 密儀器系，江蘇 南 京210094）

變壓器的使用在升壓和降壓電源中很常見，開關(guān)電源根據(jù)不同的輸出要求采用不同的變壓器拓?fù)潆娐罚瑯拥碾娫匆膊捎貌煌淖儔浩魍負(fù)鋵?shí)現(xiàn)。在所有拓?fù)渲蟹醇な阶儔浩鳂?gòu)成的升壓式開關(guān)電源具有電路簡單、元器件最少的優(yōu)點(diǎn)，在小功率開關(guān)電源中經(jīng)常采用。而變壓器的設(shè)計需要技術(shù)人員根據(jù)一些經(jīng)驗(yàn)參數(shù)來進(jìn)行變壓器的設(shè)計和繞制，會出現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計多于準(zhǔn)確的參數(shù)設(shè)計，而且在高頻條件下變壓器的設(shè)計和制作不同于普通的工頻變壓器，更加需要實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和理論設(shè)計兩者相互結(jié)合。本文結(jié)合實(shí)際設(shè)計和制作變壓器的經(jīng)驗(yàn)，提出一種工作于斷續(xù)電流模式（DCM）下的反激式變壓器設(shè)計方案，并給出相關(guān)參數(shù)設(shè)計方法。

1 反激式變壓器的基本工作原理

圖1（a）為反激式變壓器的工作原理圖，其中，開關(guān)管VT1的導(dǎo)通和截止使得原邊繞組線圈產(chǎn)生交變電流信號。當(dāng)原邊繞組導(dǎo)通期間，次級繞組輸出電壓為上負(fù)下正，整流二極管VD1和VD2截止，輸出電容Co和Cf放電；當(dāng)原邊繞組截止時次級輸出電壓為上正下負(fù)，整流二極管VD1和VD2導(dǎo)通，輸出電容Co和Cf充電，與正激式電路充放電過程相反。可以從輸入輸出電壓、電流波形關(guān)系圖1（b）中得出DCM模式下的工作過程。其中PWM、UDS、ID1、IF1、Io1、Uo2分別為開關(guān)管VT1柵極脈寬調(diào)制信號、漏源極電壓、整流二極管VD1和VD2電流、負(fù)載輸出端Co正極性端電壓波形、反饋輸出端Cf正極性端電壓波形。

圖1 反激式變壓器的工作原理圖

2 單端反激式變壓器設(shè)計

單端反激式變壓器設(shè)計流程如圖2所示[2]，首先根據(jù)逆變升壓模塊前后電路的需要，列出輸入電壓、輸出電壓參數(shù)、開關(guān)頻率、額定輸出功率等整個系統(tǒng)需要變壓器完成的參數(shù)要求,包括Uin（min）、Dmax、F、Po（max）分別為輸入直流電壓最小值10 V、最大占空比、開關(guān)頻率10 kHz、輸出最大功率15 W等參數(shù)，然后再按照下面步驟設(shè)計合適的開關(guān)變壓器。

圖2 反激式變壓器設(shè)計流程

2.1 選定工作點(diǎn)

最低的交流輸入電壓，對應(yīng)于最大的輸出功率，由原邊電感電流在開關(guān)管導(dǎo)通和截止期間電流的峰值相等和電磁感應(yīng)定理得到：

式中，Uor為原邊反激電壓，單位為V；L為原邊電感，單位為H。

占空比Dmax和反激電壓Uor的關(guān)系：

求出占空比后，在前端脈寬調(diào)制電路中控制前端信號的占空比，使其符合變壓器的設(shè)計要求。此外，反饋調(diào)節(jié)占空比可以穩(wěn)定和達(dá)到要求的輸出電壓。

從式（3）可知，反激電壓和占空比的關(guān)系可以在后續(xù)變壓器調(diào)節(jié)中選擇合適的開關(guān)管，占空比越小，反激電壓就越小。

2.2 磁芯的選擇

高頻變壓器的最大承受功率Po（max）與磁芯截面積Ae和窗口面積的面積積Ap之間存在：

由實(shí)際功率可以計算出最大輸出功率，升壓開關(guān)電源的效率一般在80%～90%之間，設(shè)計中η取80%，Po為15 W，Ku為窗口利用系數(shù)[1]，取典型值0．29，Bmax取一般值0．25 T，Kj為電流密度，取一般值600 A/cm2。每個磁芯都有固定的面積積，在廠家提供的磁芯參數(shù)表里面查詢大于或等于所求面積積的磁芯，可以獲得符合要求的EE形磁芯，其中磁芯EE－25參數(shù)[3]如圖3（a）所注，其中相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)如下：

A=2．55 cm；B=1．93 cm；C=2．02 cm；D=0．66 cm；E=0．64 cm；G=1．32 cm；Bmax=0．25 T；Ae=0．499 cm2；Aw=0．858 cm2；Ap=0．428 cm2；AL=2 050 nH/N2。

由于EE－25的面積積為0．428，大于0．384，因此，選擇EE-25型磁芯。

2.3 原邊繞組電流[4]

最大輸入電流：

原邊電流峰值：

原邊電流有效值：

式（7）可根據(jù)有效值的定義求積分得到。

2.4 原邊電感量

原邊電感量為：

2.5 原邊繞組匝數(shù)

在斷續(xù)電流工作（DCM）模式下，由法拉第電磁感應(yīng)定律可以推出：

這個匝數(shù)計算出來為原邊最少匝數(shù)，取22匝。其中Bmax為磁芯飽和磁通密度（0．25 T）（選定磁芯后就已經(jīng)確定）。

2.6 副邊繞組匝數(shù)

副邊繞組匝數(shù)為：

這里取值690匝，UF為輸出整流二極管的導(dǎo)通壓降0．7 V。

對于多路輸出變壓器而言，先修改前面的輸出功率為各路輸出功率之和，帶入各路對應(yīng)的UO、UF的值即可計算出各路輸出的匝數(shù)。設(shè)計時，需要在變壓器引入反饋繞組來調(diào)節(jié)和穩(wěn)定前端脈寬調(diào)制電路的占空比，反饋電壓為10 V，可以求得反饋繞組匝數(shù)為29．1匝，取整30匝。

2.7 繞組線徑和繞線方式

由電流密度定義可以求出繞線的最小線徑：

采用圓形導(dǎo)線，分別為原邊繞組電流2 A，電流密度500 A/cm2，截面積0．004 cm2，直徑0．07 cm；反饋輸出繞組電流0．5 A，電流密度500 A/cm2，截面積0．001 cm2，直徑0．035 cm；負(fù)載輸出繞組電流0．04 A，電流密度500 A/cm2，截面積0．000 08 cm2，直徑0．01 cm。

為了減小高頻干擾的影響，在計算繞組線徑時，電流密度Kj取值比計算面積時稍微小一點(diǎn)，取值500 A/cm2，以使得導(dǎo)線線徑在滿足繞組電流和功率的情況下選用細(xì)導(dǎo)線并繞的方式繞制原邊繞組，設(shè)計中采用0．025 cm線徑的導(dǎo)線，并繞線數(shù)，取3線并繞的方式繞制原邊線圈。

2.8 引入氣隙[5]

單端反激式變壓器的設(shè)計和制作時必須引入氣隙，否則會出現(xiàn)磁芯飽和，本設(shè)計和制作選擇在所選EE系列磁芯兩邊墊磁性材料使磁回路加入適當(dāng)?shù)臍庀叮鐖D3（b）所示。

圖3 EE磁芯尺寸和氣隙示意圖

式中，lg為氣隙長度（cm）、AL為磁芯無氣隙時的電感因數(shù)（nH/N2），氣隙的位置安排在EE磁芯中是最好的，其氣隙是在磁組件里面被分開的，這樣可使邊緣磁通噪聲最小，這也是選擇EE磁芯作為開關(guān)變壓器磁芯的一個重要因素。

3 驗(yàn)證設(shè)計

3.1 驗(yàn)證最大磁感應(yīng)強(qiáng)度

驗(yàn)證最大磁感應(yīng)強(qiáng)度是否是超過磁芯的允許值：

小于磁芯磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值。當(dāng)原邊線圈流過峰值電流時，此時磁芯達(dá)到最大磁感應(yīng)強(qiáng)度。

3.2 驗(yàn)證趨膚效應(yīng)的大小

高頻變壓器的交流損耗是由高頻電流的趨膚效應(yīng)以及磁芯的損耗引起的。高頻電流通過導(dǎo)線時總是趨向于從表面流過，這會使導(dǎo)線的有效流通面積減小，并使導(dǎo)線的交流等效阻抗遠(yuǎn)高于銅電阻。由趨膚深度定義其中，ε、F、K分別為趨膚深度、頻率、趨膚系數(shù)，K對于銅導(dǎo)線等于1。利用這個方法可以計算出運(yùn)行在頻率為10 kHz時的最大導(dǎo)線半徑，可以得出最大導(dǎo)線直徑DAWG為1．3 mm；所有線徑都小于這個線徑。

3.3 驗(yàn)證繞組

由EE－25窗口尺寸和線徑尺寸計算可得表1如下。

表1 繞組匝數(shù)表

導(dǎo)線采用漆包線，在計算每層匝數(shù)時在窗口高度兩側(cè)各預(yù)留0．15 cm的空間，且忽略包漆厚度，因?yàn)閷?shí)際繞制時總比每層計算出來的可以繞制匝數(shù)要多一些。

繞組方式如圖4所示，其中絕緣層為0．015 cm，骨架厚度為0．1 cm，總厚度為0．1+0．025+0．01×7+0．035+0．015×10=0．38 cm，考慮到3個繞組之間的絕緣層厚度可適當(dāng)加厚，窗口寬度0．645 cm能夠繞下。

圖4 繞組示意圖

4 變壓器在開關(guān)電源中的應(yīng)用

將原邊繞組同名端串聯(lián)分壓電阻后接12 V直流電壓，并在同名端和開關(guān)管漏極之間加入RCD開關(guān)管保護(hù)電路，開關(guān)管柵極接PWM脈寬調(diào)制電路。脈寬調(diào)制電路是由變壓器輔助繞組的輸出整流電容Cf的正極性端引入的反饋電壓控制和調(diào)節(jié)的TL494基本電路組成，調(diào)節(jié)PWM輸出脈寬占空比為0．445，頻率為10 kHz的脈寬信號。變壓器次級繞組的輸出整流電容Co的正極性端，經(jīng)二次整流電路后輸出作為接近250 V高壓輸出端，作為絕緣電阻測試儀高壓電源。

5 結(jié)束語

設(shè)計開關(guān)變壓器，對于變壓器生產(chǎn)制作技術(shù)人員而言必須知道以下參數(shù)：磁芯型號、同名端、輸出功率、原邊繞組電感、工作頻率、原邊繞組匝數(shù)、輔助線圈匝數(shù)、原邊繞組線徑、反饋線圈線徑、輸出繞組線徑以及繞線方式和注意細(xì)節(jié)，但是詳細(xì)的參數(shù)列表可以方便變壓器制作完成后調(diào)試和修改。此外，變壓器的設(shè)計沒有固定的步驟可循，特別是磁芯的選擇，需要和磁芯技術(shù)人員進(jìn)行溝通，單純的依靠公式選擇出來的磁芯的參數(shù)和實(shí)際的磁芯參數(shù)有較大的誤差，只有獲得了正確、準(zhǔn)確的磁芯參數(shù)，帶入這些參數(shù)設(shè)計出來的變壓器才會和實(shí)際性能接近。

[1]麥克萊曼，龔紹文．變壓器與電感器設(shè)計手冊[M].3版.北京：中國電力出版社，2008：113-149.

[2]沙占有.開關(guān)穩(wěn)壓器計算機(jī)輔助設(shè)計與仿真軟件的應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：154-165.

[3]上海寶鋼天通磁業(yè)有限公司.EE型磁芯選型列表[EB/OL]（2008）[2009-12-08].http://www.baomag.com/ee.htm

[4]原田耕介，耿文學(xué).開關(guān)電源手冊[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：31-93.

[5]張忠仕，汪偉，陳文.開關(guān)電源變壓器磁芯氣隙量的計算[J].磁性材料及器件，2008，39（1）：54-55 68.

[6]田俊杰，秋向華，陳靜.單端反激式開關(guān)電源中變壓器的設(shè)計[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2009，12（2）：23-26.