單端反激式開關(guān)電源變壓器銅損研究

摘要：單端反激式開關(guān)電源的變壓器由于具有儲能和變壓器的雙重功能，在設(shè)計上相對較為復(fù)雜。在設(shè)計變壓器時，為使所選變壓器骨架磁芯在滿足設(shè)計要求的情況下，盡量做到最優(yōu)化，因此對變壓器的選型就顯得非常重要。而選型的最為關(guān)鍵的一點就是變壓器的溫升要滿足要求。變壓器的溫升主要由銅損與鐵損組成，本文正是從開關(guān)電源的基本公式出發(fā)，推導(dǎo)出變壓器的銅損的具體表達方程式，從而揭示其與變壓器及開關(guān)電源的相關(guān)參數(shù)的關(guān)系。為變壓器選型作參考。

關(guān)鍵詞：單端反激式開關(guān)電源；銅損

引言

開關(guān)電源是上世紀(jì)50年代才發(fā)展起來的，因其自身的體積小，重量輕，效率高的特點被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域產(chǎn)品的供電裝置。在開關(guān)電源的拓撲結(jié)構(gòu)里，輸出功率小于100W的開關(guān)電源一般都采用單端反激式。其結(jié)構(gòu)見下圖。

其中，Q2是開關(guān)管，B1是變壓器，D7是輸出整流二極管，C7是輸出電容。后級的L2，C8是輸出濾波器，是為獲得更低的輸出紋波而設(shè)置的。由圖可見，單端反激式變換器的結(jié)構(gòu)簡單，使用的元器件較少，因此，在小功率的開關(guān)電源里應(yīng)用十分廣泛。

從圖中可以看出，變壓器的初級繞組與次級繞組的相位有個特點，即初級繞組的連接開關(guān)管的一端與次級繞組的連接輸出整流二極管的一端是同名端。這就是說，只有當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，輸出二極管才導(dǎo)通，變換器才向輸出傳送能量，并向輸出電容C7充電。而在開關(guān)管導(dǎo)通時，輸出二極管D7是截止的。此時的輸入能量存儲在初級繞組中，輸出的能量則靠輸出電容C7提供。

從上可知，單端反激變換器的特點是，開關(guān)管導(dǎo)通時，變壓器儲存能量，負載電流由輸出濾波電容提供；開關(guān)管關(guān)斷時，變壓器將儲存的能量傳送到負載和輸出濾波電容，以補償電容單獨提供負載電流時消耗的能量。

由于反激變換器的變壓器除了作電壓變換外，還起了儲能電感的作用。因此，反激變換器的輸出端就不再需要儲能電感，這也是反激變換器的最主要優(yōu)點。特別是在多組輸出中，由于沒有儲能電感，就可以使得反激變換器的體積可以作得較小，成本也更具優(yōu)勢，因此得到廣泛應(yīng)用。

在單端反激的設(shè)計中，變壓器是關(guān)鍵件，而設(shè)計變壓器的主要目標(biāo)是滿足溫升及EMI.EMI是由變壓器的工藝決定的，而變壓器的溫升由銅損和鐵損決定。變壓器的最佳設(shè)計是銅損與鐵損相當(dāng)，因此，變壓器的銅損確定后基本上就確定了變壓器的溫升。本文主要對變壓器的銅損作出理論分析。特別地，本文計算的銅損是在忽略臨近效應(yīng)和驅(qū)膚效應(yīng)下進行的。

一、變壓器銅損計算

為方便計算，設(shè)開關(guān)電源工作于臨界模式。

1.變壓器初級銅損計算。

1.1初級有效值電流計算

二、結(jié)論

從上式可以看出，變壓器的銅損跟輸出功率的平方成正比，跟工作磁通密度及變壓器磁芯有效截面積以及工作頻率成反比。輸入電壓越低，銅損越大，輸出電壓越低，銅損也越大。當(dāng)然，初次級銅線的截面積越大，銅損也就越低。

作者簡介：

湛祿，男，1968年8月，籍貫：重慶涪陵，工程師，開關(guān)電源。