反激式開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)

彭云華,黃土榮,廖曉文,劉 美

(1.廣州東芝白云菱機(jī)電力電子有限公司，廣東 廣州510460；2.廣東石油化工學(xué)院 自動化系，廣東 茂名525000)

在DC-DC變換器設(shè)計(jì)中，變壓器是電源變換器設(shè)計(jì)中非常重要的環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮變壓器的磁芯型號、初級電感大小、氣隙大小、匝數(shù)以及繞組的繞法。而變壓器的設(shè)計(jì)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(jì)和繞制，會出現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)多于準(zhǔn)確的參數(shù)設(shè)計(jì)，需要實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和理論設(shè)計(jì)兩者相互結(jié)合[1]。反激式開關(guān)電源變壓器有連續(xù)電流模式（CCM）和斷續(xù)電流模式（DCM），這兩種模式下有不同的設(shè)計(jì)公式，這給變壓器的設(shè)計(jì)帶來了一定難度，變壓器在DCM模式工作的性能較差[2]。本文主要針對DCM模式下，改進(jìn)設(shè)計(jì)了一個總功率為12W的兩路輸出反激式開關(guān)電源變壓器。以下詳細(xì)介紹變壓器設(shè)計(jì)的方法與步驟，并給出設(shè)計(jì)實(shí)例。變換裝置。與電源相連的線圈，接收交流電能，稱為一次繞組（原繞組）；與負(fù)載相連的線圈，傳遞交流電能，稱為二次繞組（副繞組）。原、副繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢和它們各自的匝數(shù)成正比。如圖1理想變壓器結(jié)構(gòu)圖所示。

圖1 理想變壓器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Ideal transformer Structure

1 變壓器的工作原理

變壓器是根據(jù)電磁感應(yīng)的原理來改變交流電壓的裝置，主要構(gòu)件是初級線圈、次級線圈和磁芯。變[1]壓器可將一種電壓的交流電能變換為同一頻率的另一種電壓的交流電能的

圖 1中 U1為輸入電壓，U2為輸出電壓，N1、N2分別為一次繞組匝數(shù)和二次繞組匝數(shù)，I1為輸入電流，Φ1為變壓器磁通量。

1）變壓器的類型

①按相數(shù)可分為單相、三相變壓器和多相變壓器。

②按繞組數(shù)可分為雙繞組、三繞組和自耦變壓器。

③按磁芯結(jié)構(gòu)可分為磁芯式和磁殼式變壓器。2）變壓器的基本結(jié)構(gòu)[3]

①繞組：繞組是變壓器的電路部分。一般采用絕緣紙包的銅線或鋁線繞成。

②磁芯：磁芯是變壓器的磁路部分。磁芯分為磁柱和磁軛兩部分，磁柱上套裝有繞組線圈，磁軛則是作為閉合磁路作用，磁柱和磁軛同時(shí)作為變壓器的機(jī)械構(gòu)件。

③氣隙：氣隙是在磁芯交合處留的縫隙。變壓器留氣隙是為了防止在工作中產(chǎn)生磁飽和。氣隙的作用是減小磁導(dǎo)率，防止磁芯飽和。

④絕緣部件及引線：絕緣材料包括襯墊材料和浸漬材料。其中襯墊材料主要用于繞組層間的絕緣、繞組與繞組間的絕緣以及繞組與磁芯間的絕緣。浸漬材料主要用于對繞組的浸漬或變壓器進(jìn)行灌封，浸漬材料除能加強(qiáng)變壓器繞組及磁芯的絕緣外，還可以起到防潮和散熱的作用。

2 變壓器的設(shè)計(jì)步驟和計(jì)算公式

變壓器設(shè)計(jì)的步驟包括確定各種設(shè)計(jì)指標(biāo)，包括峰值電流、磁芯尺寸、氣隙大小、初級次級線圈繞組匝數(shù)及繞組導(dǎo)線選取等。

1）變壓器設(shè)計(jì)指標(biāo)

變壓器設(shè)計(jì)指標(biāo)主要包括：輸入電壓、輸出電壓、輸出電流、效率η、工作頻率f、最大導(dǎo)通占空比D max、及最大工作磁通密度B max等參數(shù)。

2）確定輸出功率、輸出電流、峰值電流

①開關(guān)電源輸出總功率Pout等于二次各繞組輸出功率之代數(shù)和，即：

Von、Ion表示第n個二次繞組的輸出電壓、電流。

②對于一次繞組的輸入功率，一次繞組的功率不等于二次繞組的總功率，因?yàn)榭紤]到變壓器中有損耗，所以一次繞組的功率Pin應(yīng)該為：

式中：η─變壓器效率，始終小于1，1 KVA以下的變壓器η=0.8～0.9。

③計(jì)算最小和最大輸入電流的電壓Vin(min)、Vin(max)。

④計(jì)算最小和最大輸入電流的電流Iin(min)、Iin(max)。

⑤估算峰值電流：

其中：K=5.5（反激電路）[5]3）磁芯尺寸的確定

為了減少鐵損耗，變壓器的磁芯是用彼此絕緣的硅鋼片疊成或非晶體材料制成。為了減少磁路中不必要的氣隙，變壓器磁芯在疊裝時(shí)相鄰兩層硅鋼片的接縫要互相錯開。按各種磁芯可傳遞的能量來選擇磁芯，如下表：

表1 輸出功率與大致的磁芯尺寸的關(guān)系Tab.1 Relationship between the output power and the approximate size of the core

4）計(jì)算一次電感最小值Lpri

式中：f單位為Hz

5）計(jì)算變壓器的氣隙

反激式變壓器的設(shè)計(jì)必須引入氣隙[4]，否則會造成磁芯飽和。磁芯飽和會引起初級線圈電感量急劇下降，對電流的阻礙作用減小，造成電流突變，燒毀器件。因而需要在磁回路加入適當(dāng)?shù)臍庀叮?jì)算變壓器氣隙其公式如下：

其中，Ae為磁芯有效截面積，單位為cm2；Bmax為最大磁通密度，主要根據(jù)磁芯的材料來選擇的，單位為T；Lpri為一次電感最小值，單位為H。6）計(jì)算一次繞組所需匝數(shù)N0

式中AL為磁芯電感系數(shù)，查看磁芯參數(shù)表可得。7）計(jì)算二次繞組所需匝數(shù)N1

式中，V01=輸出電壓；VD1=整流二極管壓降；其它次級繞組匝數(shù)Nn：

式中，n取2,3,4…n

8）計(jì)算和選取繞組導(dǎo)線線徑

可由下式得出導(dǎo)線截面積As

電流密度一般選取J=(2～3)A/mm2；但在變壓器短時(shí)間工作時(shí)，電流密度可取J=(4～5）A/mm2。對于DCM非連續(xù)工作時(shí)可取J=4 A/mm2。

導(dǎo)線的直徑d1[6]：

根據(jù)算出的直徑查電工手冊或表二選取相近的標(biāo)準(zhǔn)線徑。當(dāng)線圈電流大于10A，可采取多根導(dǎo)線并聯(lián)或選用扁銅線。

3 變壓器實(shí)例計(jì)算

開關(guān)電源設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)電路的輸出總功率為12W，采用反激式開關(guān)電源，共有兩路輸出電壓，輸出電壓均為+15 V/400mA。輸入電壓范圍在AC60 V～150 V。輸出電壓為兩路DC15 V；電流為 400mA；效率 η取0.85；工作頻率在 50 kHz；最大導(dǎo)通占空比Dmax=0.5。1）計(jì)算輸入功率、輸入電壓、輸入電流和峰值電流

①輸出功率：

②輸入功率：

③最低輸入電壓：

④最高輸入電壓：

⑤最小平均輸入電流：

⑥最大平均輸入電流：

⑦峰值電流：

其中：K=5.5（反激電路）

2）確定磁芯型號尺寸

12W可根據(jù)表1，選用每邊30mm的EE30/30/7材料為PC40磁芯。磁芯Ae=60mm2,Aw=125mm2

此處Ae為磁芯的截面積，Aw為窗口面積。3）計(jì)算一次電感最小值

4）計(jì)算磁芯氣隙

查看磁芯參數(shù)表，可知EE30/30/7，AL=2 100 nH/N2

式中，AL為電感系數(shù)。

5）計(jì)算一次繞組所需匝數(shù)N0

取23匝

6）計(jì)算二次繞組所需匝數(shù)N1

此處整流二極管取肖特基二極管，壓降0.2V。

取5匝。

7）導(dǎo)線直徑

一次繞組按照公式（14）計(jì)算：

二次繞組：

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用該變壓器制作了13 V/0.4 A兩路輸出反激式開關(guān)電源。在空載時(shí)進(jìn)行了電壓調(diào)整測試，通過示波器檢測可得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖可見，峰峰值最高為160mv，輸出電壓在13.2 V左右，峰峰值不大，輸出13.2 V是反饋電阻的原因。對開關(guān)電源而言，160mV的紋波在可接受范圍。此外，在測試本設(shè)計(jì)紋波的時(shí)候，示波器探頭間沒有用去耦電容。在開關(guān)電容輸出方面，并沒有選取低ESR的電容作為去耦電容，在一定程度上也影響了紋波的性能。

圖2 變壓器15V的輸出波形圖Fig.2 15V transformer outputwaveform diagram

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)反激式開關(guān)電源變壓器，需要考慮以下參數(shù)：磁芯型號，輸出功率，一次繞組電感，工作頻率，原、副繞組的匝數(shù)，導(dǎo)線直徑以及繞線方式和注意細(xì)節(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在電流不連續(xù)工作狀態(tài)下，反激式變壓器能表現(xiàn)良好的性能，穩(wěn)定可靠。

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