基于I～P特性的反激式電源高頻變壓器磁芯選擇

夏永洪，顧偉華，朱德省，朱佳偉

(1.南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌 330031 2.江蘇林洋能源股份有限公司，江蘇 啟東 226200)

0 引 言

反激式開關(guān)電源相較于傳統(tǒng)線性電源，具有體型輕巧和輸出穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，因而得到了廣泛的應(yīng)用[1]。高頻變壓器作為反激式開關(guān)電源的核心部件，其磁芯的合理選擇對(duì)電源的工作性能和設(shè)計(jì)成本起著決定性的作用。

文獻(xiàn)[2-5]采用AP(面積乘積)法選擇高頻變壓器的磁芯，即根據(jù)計(jì)算得到的AP值選擇最為接近的磁芯規(guī)格，但由于在AP值的計(jì)算過程中有較多人為設(shè)定的中間量，因此得到的AP值只是一個(gè)近似結(jié)果，從而會(huì)存在一定的偏差。文獻(xiàn)[6]在現(xiàn)有磁芯AP選擇法的基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)AP法的中間計(jì)算量使得磁芯選擇結(jié)果更加準(zhǔn)確，但該方法所得到的結(jié)果依然是一種估算值。文獻(xiàn)[7-9]根據(jù)不同磁芯在同一條件下的高頻損耗來選擇合適的磁芯，但在磁芯選擇過程中尚未考慮不同磁芯結(jié)構(gòu)對(duì)電源功率特性的影響。文獻(xiàn)[10,11]借助有限元工具實(shí)現(xiàn)了不同磁芯高頻變壓器的設(shè)計(jì)建模，并對(duì)不同磁芯的性能參數(shù)進(jìn)行了分析，為該類高頻變壓器的磁芯選擇提供了參考。

與現(xiàn)有采用AP法選擇高頻變壓器磁芯的方法不同，提出一種基于電源I～P特性的高頻變壓器磁芯選擇方法。建立反激式開關(guān)電源聯(lián)合仿真模型，對(duì)不同磁芯的高頻變壓器對(duì)應(yīng)的電源I～P特性進(jìn)行計(jì)算，并采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法對(duì)計(jì)算結(jié)果加以驗(yàn)證。同時(shí)根據(jù)仿真結(jié)果，推導(dǎo)不同磁芯的I～P特性擬合公式，結(jié)合磁芯的最大工作磁密得到電源最佳輸出功率，以實(shí)現(xiàn)電源在不同應(yīng)用功率區(qū)間下磁芯的合理選擇。

1 高頻變壓器的有限元建模

1.1 反激式開關(guān)電源參數(shù)

反激式開關(guān)電源的工作電壓為220 V，電源最大設(shè)計(jì)功率為9 W，設(shè)計(jì)負(fù)載輸出電壓UO為13 V，對(duì)應(yīng)的開關(guān)控制芯片為VIPER16L，內(nèi)置開關(guān)MOS管，開關(guān)頻率為60 kHz。高頻變壓器參數(shù)為：磁芯為EF20，磁芯材質(zhì)為PC40，原邊電感量LP為5 mH，繞組個(gè)數(shù)為2，原邊繞組匝數(shù)NP為134匝，副邊繞組匝數(shù)NS為18匝。同時(shí)在不改變磁芯材質(zhì)的前提下，對(duì)高頻變壓器磁芯為EE16也進(jìn)行了研究，兩種磁芯參數(shù)如表1所示。

表1 磁芯EF20和EE16的參數(shù)對(duì)比

1.2 有限元建模

根據(jù)已確定的高頻變壓器參數(shù)，搭建了磁芯分別為EF20和EE16時(shí)的高頻變壓器2D模型，兩種模型在氣隙長度和繞組線徑上完全相同。同時(shí)為了保證兩種磁芯結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的模型在繞組匝間距上的一致性，其中磁芯EF20模型采用繞組居中密繞法，磁芯EE16模型采用滿層繞制法，如圖1所示。

圖1 兩種磁芯對(duì)應(yīng)的高頻變壓器2D模型

通過對(duì)圖1兩種磁芯的2D模型進(jìn)行計(jì)算，得到了磁芯EF20和磁芯EE16對(duì)應(yīng)的高頻變壓器原邊電感量LP分別為5 mH和3.2 mH。

2 反激式開關(guān)電源I～P特性聯(lián)合仿真

2.1 聯(lián)合仿真模型的搭建

將圖1中兩種磁芯的2D模型導(dǎo)入Simplorer軟件中，并建立反激式開關(guān)電源聯(lián)合仿真模型，如圖2所示，相應(yīng)的聯(lián)合仿真參數(shù)，如表2所示。其中高頻變壓器原邊等效直流輸入電壓Uin可根據(jù)電源的工作電壓近似取值；PWM控制器的開關(guān)周期可根據(jù)開關(guān)頻率確定；MOS管寄生電容Cds和導(dǎo)通電阻Rds參考控制芯片VIPER16L的手冊(cè)。

圖2 反激式開關(guān)電源聯(lián)合仿真模型

2.2 I～P特性聯(lián)合仿真

基于聯(lián)合仿真模型和仿真參數(shù)，可得到對(duì)應(yīng)各負(fù)載功率PO的高頻變壓器原邊電流峰值IPmax，從而確定相應(yīng)的電源I～P特性曲線。

表2 聯(lián)合仿真參數(shù)

以電源最大設(shè)計(jì)功率9 W為例，根據(jù)負(fù)載輸出電壓為13 V計(jì)算得到了負(fù)載RL為18.78 Ω。在圖2所示的仿真模型中，通過調(diào)節(jié)PWM控制器的輸出占空比可滿足負(fù)載輸出電壓為13 V，并得到兩種磁芯對(duì)應(yīng)的高頻變壓器原邊電流波形，以及相應(yīng)的電流峰值IPmax，如圖3所示。

圖3 高頻變壓器原邊電流波形

由圖3可知，當(dāng)電源的工作電壓和負(fù)載功率分別為220 V和9 W時(shí)，磁芯EF20和EE16對(duì)應(yīng)的高頻變壓器原邊電流峰值分別為266.9 mA和331.1 mA。同理，可以計(jì)算兩種磁芯對(duì)應(yīng)各負(fù)載功率點(diǎn)時(shí)的高頻變壓器原邊電流峰值，即為I～P特性曲線，如圖4所示。

圖4 工作電壓220 V時(shí)兩種磁芯的I～P特性曲線

2.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證聯(lián)合仿真模型計(jì)算得到的I～P特性曲線的準(zhǔn)確性，根據(jù)前面高頻變壓器的相關(guān)參數(shù)，研制了2臺(tái)采用不同磁芯構(gòu)成的高頻變壓器樣機(jī)，分別在基于VIPER16L的反激式開關(guān)電源模塊中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試平臺(tái)如圖5所示，得到了工作電壓為220 V時(shí)兩種磁芯的I～P特性測(cè)試結(jié)果，并與圖4所示的仿真曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。

圖5 電源模塊功率特性測(cè)試平臺(tái)

圖6 工作電壓220 V時(shí)兩種磁芯的I～P特性仿真與測(cè)試結(jié)果比較

由圖6可知，在同一工作電壓下，聯(lián)合仿真計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的I～P特性曲線吻合較好，說明了采用聯(lián)合仿真得到的I～P特性曲線的準(zhǔn)確性。

3 基于I～P特性的高頻變壓器磁芯選擇

根據(jù)圖4所示的兩種磁芯I～P特性聯(lián)合仿真結(jié)果，借助Matlab軟件擬合工具，選取I～P特性仿真曲線中的整數(shù)功率點(diǎn)，如圖7所示。

圖7 兩種磁芯I～P特性擬合功率點(diǎn)

根據(jù)圖7(a)的10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，得到了磁芯EF20的電源I～P特性擬合公式:

(1)

根據(jù)圖7(b)的10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，得到了磁芯EE16的電源I～P特性擬合公式:

(2)

根據(jù)I～P特性擬合公式，可以計(jì)算得到兩種磁芯對(duì)應(yīng)的開關(guān)電源最佳輸出功率PC，該輸出功率PC與高頻變壓器磁芯的最大工作磁密BM有關(guān)。

兩種磁芯的最大工作磁密均為0.3T，則兩種磁芯對(duì)應(yīng)最佳輸出功率PC時(shí)的高頻變壓器原邊電流峰值IPmax為：

(3)

根據(jù)式(3)計(jì)算得到了磁芯EF20和EE16對(duì)應(yīng)的原邊電流峰值IPmax分別為269.34和241.20 mA。

將磁芯EF20和EE16對(duì)應(yīng)的原邊電流峰值IPmax分別代入式(1)和式(2)，得到了磁芯EF20和EE16對(duì)應(yīng)的最佳輸出功率PC分別為9.34和4.66 W。

為了驗(yàn)證上述擬合公式計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，在仿真模型中對(duì)最佳輸出功率PC分別為9.34 W和4.66 W時(shí)的高頻變壓器原邊電流峰值進(jìn)行了仿真計(jì)算，并與擬合公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，如表3所示。

表3 最佳輸出功率下原邊電流峰值仿真模型和擬合公式計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由表3可知，在最佳輸出功率下，擬合公式計(jì)算得到的IPmax與聯(lián)合仿真的計(jì)算結(jié)果誤差很小，證明了擬合公式計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

根據(jù)兩種磁芯對(duì)應(yīng)的電源最佳輸出功率PC，并結(jié)合電源的最大設(shè)計(jì)功率(9 W)，可為開關(guān)電源在不同的功率應(yīng)用區(qū)間選擇合理的磁芯，如表4所示。

表4 電源不同應(yīng)用功率區(qū)間的磁芯選擇

由表4可知，當(dāng)電源應(yīng)用功率區(qū)間為0～4.66 W和4.66～9 W時(shí)，選用的磁芯分別為EE16和EF20。相較于磁芯EE16，磁芯EF20可應(yīng)用的電源功率區(qū)間更大，但當(dāng)電源功率未超過4.66 W時(shí)，選用磁芯EE16的經(jīng)濟(jì)性更好。

4 結(jié) 論

針對(duì)反激式開關(guān)電源中高頻變壓器磁芯的合理選擇進(jìn)行了研究，提出了一種基于電源I～P特性的高頻變壓器磁芯選擇方法。建立了反激式開關(guān)電源聯(lián)合仿真模型，對(duì)不同磁芯的電源I～P特性進(jìn)行了計(jì)算，通過對(duì)特性曲線的處理，推導(dǎo)了不同磁芯對(duì)應(yīng)的I～P特性擬合公式。根據(jù)磁芯最大工作磁密得到了不同磁芯對(duì)應(yīng)的電源最佳輸出功率，并結(jié)合電源的最大設(shè)計(jì)功率，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源在不同功率應(yīng)用區(qū)間的磁芯合理選擇，可降低反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)成本。反激式開關(guān)電源模塊功率特性測(cè)試結(jié)果，與聯(lián)合仿真結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了該方法的正確性。