反激電路的變壓器設(shè)計(jì)

熊 晶

（日月元科技深圳有限公司，廣東 深圳 518102）

電力電子電路中，輸入輸出之間存在電隔離的直流變換拓?fù)浔环Q為隔離型電路，實(shí)現(xiàn)電隔離又能夠傳遞能量的最常用的方法是通過隔離變壓器實(shí)現(xiàn)磁耦合。反激式電路就是隔離型電路的一種。反激電路與其他直流變換電路不同，其輸出側(cè)不用接濾波電感[1]。這樣，使得反激電路擁有成本低、體積小等優(yōu)點(diǎn)。通常，反激電路的隔離變壓器的磁芯一般需要添加氣隙，這使得變壓器原副邊漏感較大，降低了整個(gè)電路拓?fù)涞墓ぷ餍?。因此，反激電路的輸出功率較小，一般在5W～150W之間[2]。其常常被用做UPS中功率較小的輔助電源模塊，給整個(gè)UPS系統(tǒng)提供控制電源。

1 電路原理

如圖1所示，為反激電路原理圖。圖中，變壓器原邊和副邊的極性相反。在反激式電路中，隔離變壓器TX除了實(shí)現(xiàn)隔離和電壓匹配的作用之外，還起著儲存能量的作用。隔離和電壓匹配是變壓器的特性，儲能則是電感的特性。

圖1 反激電路拓?fù)?/p>

如圖2所示，為反激電路工作時(shí)的電量波形。當(dāng)開關(guān)管VF的驅(qū)動(dòng)電源為高（即T1=D1T，D1為占空比，T為開關(guān)周期）時(shí)，VF導(dǎo)通，變壓器原邊電流上升；而由于變壓器極性相反，副邊二極管承受反壓，處于截止?fàn)顟B(tài)。在此時(shí)段變壓器原邊電感Lp從電源吸收能量。這里，

Np和Ns分別為變壓器原副邊繞組匝數(shù)；Lp和Ls分別為變壓器原副邊繞組電感值。

當(dāng)開關(guān)管VF的驅(qū)動(dòng)電源變低（T2=DpT）時(shí)，由于在電感Lp中儲存的能量不能突變，為了維持磁通連續(xù)，變壓器原副邊繞組上的電壓均反向。因此，副邊二極管VD承受正壓導(dǎo)通。此時(shí)，電感中的能量轉(zhuǎn)化為電能分別向電路負(fù)載供電和輸出電容Co充電。此時(shí)，開關(guān)管的管壓為：

如果VF導(dǎo)通時(shí)期，電感中的儲能足夠大，大到能夠維持副邊電流i2的最小值在下個(gè)開關(guān)周期來臨之前大于零。則電路工作在電流連續(xù)模式，即CCM模式。反之，電路工作在電流斷續(xù)模式，即DCM模式。此時(shí)，如圖2-b所示，電路多一種工作狀態(tài)（T3=DuT）。在這個(gè)時(shí)期，由于變壓器兩側(cè)開關(guān)器件均斷路，變壓器原邊電壓不再受到輸出電壓的鉗位。此時(shí)，變壓器原邊電感和VF的寄生電容開始產(chǎn)生振蕩，導(dǎo)致VF的管壓跟著振蕩，這個(gè)振蕩頻率由寄生電容和原邊電感決定。不過，由于電路阻尼的存在，管壓總體是逐漸下降的。如果，副邊電流的最小值正好等于零，我們稱之為臨界電流模式。

圖2 反激電路工作波形

2 設(shè)計(jì)范例

在現(xiàn)代UPS系統(tǒng)中，通常少不了輔助電源模塊(簡稱SPS模塊)。多數(shù)情況下，擔(dān)當(dāng)此份任務(wù)的是多路輸出的反激電路。輔助電源的輸入常常用的是電池，輸出則產(chǎn)生控制芯片常用的+12V、+15V、-15V、+5V等。至于如何能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的輸出電源，關(guān)鍵在反激電路中變壓器的設(shè)計(jì)。下面，將以一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例來講解這個(gè)重要器件的設(shè)計(jì)方法：

設(shè)計(jì)要求，輸入電壓范圍 40V-60V；多路輸輸出分別產(chǎn)生+12V、+15V、-15V、+5V；控制芯片選擇常用的 UC3845，工作頻率fs為104KHz。具體步驟如下：

（1）確定輸出功率，選擇磁芯

設(shè)計(jì)的首要步驟就是確定所需的功率，正確選擇能夠傳遞這些能量的合適磁芯。估算各路輸出上消耗的功率，以及電路拓?fù)淇偟妮敵龉β?。根?jù)需要，+12V的輸出功率設(shè)為Po12=35W；+15V的輸出功率為Po15=3.4W；-15V的輸出功率為Po-15=1W；+5V的輸出功率為Po5=3W.這樣，總的輸出功率需求為：

根據(jù)以上功率，選擇磁芯EE28。這種磁芯的磁芯截面積Ae=72mm2，窗口面積 Aw=124.2mm2，這兩個(gè)參數(shù)將在下面的計(jì)算中使用到。

（2）確定輸入功率

假設(shè)反激拓?fù)涞男蕿棣?80%，這樣可以估算出電路的輸入功率：

（3）確定最大輸入平均電流

通常，為了防止隔離變壓器磁芯飽和，一般將其設(shè)計(jì)成DCM模式工作。當(dāng)輸入電壓為最低值Uin_min=40V時(shí)，輸入平均電流最大。此情況，也是功率傳輸最惡劣的時(shí)候，占空比最大Dmax。所以，最大輸入電流平均值為：

（4）確定原邊電流變化量

設(shè)原邊電流變化量為△I，在DCM模式下有：

設(shè)計(jì)電路工作最大占空比Dmax=0.45，則有：

（5）確定隔離變壓器原邊電感值

此步驟是隔離變壓器最重要的一步，電感值的大小決定電路能量傳遞的能力。在DCM模式下，設(shè)變壓器原邊電感為Lp，根據(jù)電感的特性公式：

在開關(guān)管VF導(dǎo)通時(shí)，電感吸收能量，其兩端的壓降為輸入電壓。因此：

（6）根據(jù)△I確定電流檢測電阻

由于控制芯片選擇比較經(jīng)典的UC3845，電路需要利用原邊側(cè)的電流檢測電阻，將原邊側(cè)的電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺⑺腿胄酒瑑?nèi)部比較器。根據(jù)UC3845的工作特性，當(dāng)其電流檢測腳的電位高于1V時(shí)，芯片將關(guān)閉脈沖，這就是我們通常知道的限流。為了保證能量在低電壓時(shí)也能有效傳遞到副邊，需要在原邊電流最大的情況下，芯片也不會關(guān)閉脈沖信號，這就需要準(zhǔn)確地計(jì)算電流檢測電阻阻值，有以下公式：

實(shí)際選擇電阻時(shí)，會在計(jì)算值的基礎(chǔ)上留一點(diǎn)裕量，這里選擇使用0.15Ω。

（7）計(jì)算變壓器原邊匝數(shù)

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，開關(guān)VF導(dǎo)通的時(shí)候有：

公式中，dφ為磁通的變化，dB為磁場強(qiáng)度的變化。這里，我們?nèi)B值為2200G。根據(jù)公式(2-8)可以推出：

代入公式(2-6)，計(jì)算得到：

因?yàn)?，匝?shù)不會是小數(shù)，所以這里取11匝。

（8）計(jì)算變壓器副邊匝數(shù)

這里以副邊+12V繞組為例進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)反激電路的輸

入輸出關(guān)系：

推導(dǎo)出：

這里，選擇副邊+12V繞組繞4匝。同理，可以計(jì)算出+15V、-15V和+5V繞組分別為Ns15=5匝，Ns-15=5匝和Ns5=2匝。

（9）計(jì)算變壓器氣隙長度

反激電路工作時(shí)，變壓器的磁復(fù)位完全靠其自然復(fù)位。設(shè)計(jì)時(shí)，為了防止其在工作時(shí)飽和，一般情況下都會在磁芯內(nèi)增加氣隙，將磁芯的磁滯回線，橫向拉長，使其更不容易飽和。通過以下公式可以計(jì)算出氣隙長度：

式中，μ0為空氣的磁導(dǎo)率。

（10）選擇線材

第一步需要計(jì)算繞組線材的截面積。這與所需的電流密度有關(guān)，截面積越小，電流密度就越大，變壓器器工作起來溫度越高。溫度太高，會影響變壓器磁芯使用壽命。一般要求電流密度小于等于4A/mm2。下面以原邊為例進(jìn)行計(jì)算，電流密度選擇Jc=4A/mm2：

計(jì)算原邊電流有效值：

計(jì)算原邊繞組截面積：

實(shí)際上，設(shè)計(jì)時(shí)不會選擇截面積如上的粗線來繞制變壓器。因?yàn)?，電流的趨膚效應(yīng)，電流大多數(shù)沿著線材外圍流動(dòng)，實(shí)際線芯內(nèi)部電流卻很少。這樣，反而加大的線路上的電阻，使得發(fā)熱嚴(yán)重。一般的做法是選擇多股細(xì)線并繞，這里，選擇線徑dwp=0.3mm，那么單股線材截面積∶

線材股數(shù)按如下計(jì)算：

最終，原邊選擇線徑0.3mm線8股并繞。

對于+12V繞組，也可以選擇0.3mm的線材繞制，這樣該繞組的單股線材截面積Ass1=0.07mm2，線材股數(shù)Ns12w=10。

+15V繞組，選擇0.1mm的線，Ass2=0.008mm2，線材股數(shù)Ns15w=7。

-15V繞組，選擇0.1mm的線，Ass3=0.008mm2，線材股數(shù)Ns-15w=2。

+5V繞組，選擇 0.1mm的線，Ass4=0.008mm2，線材股數(shù)Ns5w=7。

（11）計(jì)算變壓器窗口利用率

變壓器的窗口利用率一般不大于0.2，具體計(jì)算如下：

以上各步計(jì)算，即完成反激電路隔離變壓器的計(jì)算。當(dāng)然，原邊開關(guān)管VF和副邊二極管的選擇也是很重要的，原邊開關(guān)管上承受的最大電壓為：

副邊二極管上承受的最大電壓為：

選擇開關(guān)器件時(shí)，要考慮以上耐壓。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)際中，根據(jù)以上設(shè)計(jì)，并選擇合適開關(guān)器件，搭建了實(shí)驗(yàn)電路。在輸入電壓范圍內(nèi)，能夠得到各路輸出電壓，和正確開關(guān)器件電壓波形，實(shí)驗(yàn)波形如下：

圖3 輸出電壓波形

圖4 驅(qū)動(dòng)及開關(guān)管壓波形

4 結(jié)論

反激電路的拓?fù)浜唵危恍枰郊哟磐◤?fù)位電路以及輸出側(cè)電感，使得電路成本降低，且工作性能穩(wěn)定。因此，在UPS領(lǐng)域中，被廣泛運(yùn)用于小功率的場合，是輔助電壓拓?fù)涞牡谝贿x擇。當(dāng)然，反激電路的關(guān)鍵是變壓器設(shè)計(jì)，需要進(jìn)行詳盡的分析設(shè)計(jì)，體現(xiàn)出電路效率高、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

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