正激变换器中变压器的设计知识Word文档格式.docx

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2正激变换器中变压器的设计方法

正激变换器是最简单的隔离降压式DC/DC变换器，其输出端的LC滤波器特不适合输出大电流，能够有效抑制输出电压纹波。

因此，在所有的隔离DC/DC变换器中，正激变换器成为低电压大电流功率变换器的首选拓扑结构。

然而，正激变换器必须进行磁复位，以确保励磁磁通在每一个开关周期开始时处于初始值。

正激变换器的复位方式专门多，包括第三绕组复位、RCD复位[1,2]、有源箝位复位[3]、LCD无损复位[4,5]以及谐振复位[6]等，其中最常见的磁复位方式是第三绕组复位。

本文设计的高频开关电源变压器采纳第三绕组复位，拓扑结构如图1所示。

开关电源变压器是高频开关电源的核心元件，其作用有三：

磁能转换、电压变换和绝缘隔离。

在开关管的作用下，将直流电转变成方波施加于开关电源变压器上，经开关电源变压器的电磁转换，输出所需要的电压，将输入功率传递到负载。

开关变压器的性能好坏，不仅阻碍变压器本身的发热和效率，而且还会阻碍到高频开关电源的技术性能和可靠性。

因此在设计和制作时，对磁芯材料的选择，磁芯与线圈的结构，绕制工艺等都要有周密考虑。

开关电源变压器工作于高频状态，分布参数的阻碍不能忽略，这些分布参数有漏感、分布电容和电流在导线中流淌的趋肤效应。

一般依照高频开关电源电路设计的要求提出漏感和分布电容限定值，在变压器的线圈结构设计中实现，而趋肤效应阻碍则作为选择导线规格的条件之一。

2.1变压器设计的差不多原则

在给定的设计条件下磁感应强度B和电流密度J是进行变压器设计时必须计算的参数。

当电路主拓扑结构、工作频率、磁芯尺寸给出后，变压器的功率P与B和J的乘积成正比，即P∝B·

J。

当变压器尺寸一定时，B和J选得高一些，则某一给定的磁芯能够输出更大的功率；

反之，为了得到某一给定的输出功率，B和J选得高一些，变压器的尺寸就能够小一些，因而可减小体积，减轻重量。

然而，B和J的提高受到电性能各项技术要求的制约。

例如，若B过大，激磁电流过大，造成波形畸变严峻，会阻碍电路安全工作并导致输出纹波增加。

若J专门大，铜损增大，温升将会超过规定值。

因此，在确定磁感应强度和电流密度时，应把对电性能要求和经济设计结合起来考虑。

2.2各绕组匝数的计算方法

正激变换器中的变压器的磁芯是单向激磁，要求磁芯有大的脉冲磁感应增量。

变压器初级工作时，次级也同时工作。

1）计算次级绕组峰值电流IP2

变压器次级绕组的峰值电流IP2等于高频开关电源的直流输出电流Io，即

式中：

D是正激变换器最大占空比。

3）计算初级绕组电压幅值Up1

Up1=Uin－ΔU1（3）

Uin是变压器输入直流电压（V）；

ΔU1是变压器初级绕组电阻压降和开关管导通压降之和（V）。

4）计算次级绕组电压幅值

Uo是变压器次级负载直流电压（V）；

ΔU2是变压器次级绕组电阻压降和整流管压降之和（V）。

5）计算初级电流有效值I1

忽略励磁电流等阻碍因素，初级电流有效值I1按单向脉冲方波的波形来计算：

6）计算去磁绕组电流有效值IH

去磁绕组电流约与磁化电流相同，约为初级电流有效值的5％～10％，即

8）确定磁芯尺寸[7]

首先确定铜耗因子Z，Z的表达式为

τ是环境温度（℃）；

Δτ是变压器温升（℃）。

然后计算脉冲磁感应增量ΔBm，

ΔBm=KB·

Bm（10）

KB是磁感应强度系数；

Bm是磁芯材料最大工作磁感应强度（T）。

关于R2K铁氧体磁芯，最大工作磁感应强度是0.3T。

磁感应强度系数KB能够从图2所示的磁感应强度系数曲线图得出，它取决于输出功率P2（W），工作频率f（kHz）和变压器平均温升Δτ（℃）。

变压器所需磁芯结构常数Y由下式确定

Y是变压器所需磁芯结构常数（cm5）；

q是单位散热表面功耗（W/cm2），q能够从温升和q值关系曲线中得出，假如环境温度为25℃，变压器温升为50℃，对应的q值为0.06。

计算出Y之后，选择磁芯结构常数Yc≥Y的磁芯，然后从磁芯生产厂商提供的资料中查出变压器散热表面积St（cm2），等效截面积Ae（cm2）等磁芯参数，或者自行设计满足结构常数的磁芯。

9）计算初级绕组匝数（N1）[7]

Upi是次级各绕组输出电压幅值（V）。

11）计算去磁绕组匝数

关于采纳第三绕组复位的正激变换器，复位绕组的匝数越多，最大占空比越小，开关管的电压应力越低，然而最大占空比越小，变压器的利用率越低。

故需综合考虑最大占空比和开关管的电压应力，一般选择去磁绕组匝数（NH）和初级绕组匝数相同，即

NH=N1（14）

需要注意的是，应该确保初级绕组和去磁绕组紧密耦合。

2.3确定导线规格

1）计算变压器铜耗Pm

依照变压器平均温升确定变压器总损耗，减去磁芯损耗即得出铜耗，再依照铜耗来计算电流密度。

计算铜耗应该在磁芯规格确定之后进行。

St是变压器表面积（cm2）；

Pb是在工作磁感应强度和频率下单位质量的磁芯损耗（W/kg）；

Gc是磁芯质量（kg）。

在实际计算中，铜耗能够按总损耗的一半处理。

2）计算铜线质量Gm

lm是线圈平均匝长（cm）；

SW是磁芯窗口面积（cm2）；

Km是铜线窗口占空系数，定义为绕组净可绕线空间与导线截面积之比。

计算铜线占空系数时应依照不同情况选取适当值，一般选取范围在0.25～0.4之间，采纳多股并绕时应选取较小值。

3）计算电流密度J

4）计算导线截面积Smi和线径di

Ii是各绕组电流有效值（A）。

计算所需导线直径时，应考虑趋肤效应的阻碍。

当导线直径大于2倍趋肤深度时，应尽可能采纳多股导线并绕。

采纳n股导线并绕时，每股导线的直径din按下式计算。

假如采纳多股导线并绕，导线的股数太多，能够采纳铜箔。

在使用铜箔时，铜箔的厚度应该小于两倍的趋肤深度，铜箔的截面积必须大于该绕组导线所需的截面积。

在计算完毕后，校验窗口尺寸，计算分布参数，校验损耗和温升等。

3应用实例

设计一个用于输入为48V（36～72V），输出为2.2V、20A的正激变换器的高频开关电源变压器，工作频率是200kHz，最大占空比为0.45，采纳第三绕组复位，铜线的趋肤深度为Δ=0.148mm。

按照上述设计方法，设计的高频开关电源变压器如下：

磁芯规格EFD20，磁芯材料为3F3，Ae=31.0mm2，Philips；

初级绕组16匝，采纳型号为AWG31的铜线，6股并绕；

复位绕组16匝，采纳型号为AWG33的铜线；

次级绕组2匝，采纳厚度t=0.1mm，宽度b=14mm的铜箔，两层并绕，即截面积S=2.8mm2。

在最终确定导线规格时，均保留了一定的裕度。

为使各绕组耦合良好，采纳交错绕线技术，如图3所示[8]，其中P1和P2为变压器初级绕组，并联；

S1和S2为变压器次级绕组，并联；

R为变压器复位绕组。

那么，初级绕组采纳AWG31的铜线，两层；

次级绕组采纳采纳厚度t=0.1mm，宽度b=14mm，即S=1.4mm2的铜箔，两层。

设计出的变压器的初级励磁电感值实测为Lm=320.40μH，次级电感值实测为Ls=5.18μH，初级漏感电感值实测约为0.18μH。

该变压器在正激变换器中的工作特性专门好。

4结语

本文详细阐述了正激变换器中变压器的设计方法，并结合具体设计任务，设计出一个用于48V（36～72V）输入，2.2V、20A输出的高频开关电源变压器。

设计出的变压器在实际电路中表现出良好的电气特性。