高頻開關(guān)變換器中的磁性元件設(shè)計(jì)

摘要：鑒于常規(guī)的磁性元件設(shè)計(jì)方法存在局限性，不能全面反映其實(shí)際工作情況。本文針對(duì)600W雙管正激變換器中的高頻變壓器采用“Magnetics Designer”軟件進(jìn)行自行設(shè)計(jì)，給出了具體的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)過程，并通過Pspice仿真驗(yàn)證其設(shè)計(jì)效果。

敘詞：磁性元件 雙管正激 變換器 Pspice 電源

Abstract：The design method and procedure of high frequency transformer in 600W double-transistor forword converter with Magnetics Designer software are introduced in this paper.And design results are also simulated in Pspice.

Keyword：magnetic element double-transistor forward converter Pspice

1、 引言

在高頻開關(guān)變換器中磁性元件的應(yīng)用非常廣泛，主要有變壓器和電感器兩大類：當(dāng)變壓器用時(shí)，可起電氣隔離、升降壓及磁耦合傳遞能量等作用;當(dāng)電感器用時(shí)，起到儲(chǔ)存能量、平波與濾波等功能。并且其性能的好壞對(duì)變換器的性能產(chǎn)生重要影響，特別對(duì)整個(gè)裝置的效率、體積及重量起舉足輕重的作用。因此，磁性元件的設(shè)計(jì)是高頻開關(guān)變換器設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。

高頻開關(guān)變換器中的磁性元件設(shè)計(jì)，通常是根據(jù)鐵芯的工作狀態(tài)，合理選用鐵芯材料，正確設(shè)計(jì)計(jì)算磁性元件的鐵芯及繞組參數(shù)。但由于磁性元件所涉及的參數(shù)太多，其工作狀態(tài)不易透徹掌握，因此常規(guī)的設(shè)計(jì)方法不能全面反映其實(shí)際工作情況和考慮其它因素的影響，也就很難達(dá)到所需的性能指標(biāo)和滿足設(shè)計(jì)要求。

針對(duì)高頻開關(guān)變換器中的磁性元件設(shè)計(jì)的重要性、必要性及其復(fù)雜性，筆者采用Intusoft公司的“Magnetics Designer”軟件根據(jù)磁性元件的實(shí)際工作情況進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)，獲得較理想的效果。本文首先介紹了磁性元件設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮、注意的一些問題，并針對(duì)600W雙管正激變換器中的高頻變壓器給出了具體的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)過程，最后通過仿真加以驗(yàn)證。

2、 磁性元件設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的一些問題

2.1 鐵芯瞬態(tài)飽和

在高頻開關(guān)變換器啟動(dòng)瞬間，由于雙倍磁通效應(yīng)，其磁性元件的鐵芯可能瞬態(tài)達(dá)到飽和，從而產(chǎn)生很大的浪涌電流，導(dǎo)致與磁性元件相連的開關(guān)器件損壞。因此，為防止鐵芯瞬態(tài)飽和，可采用的方法：一是把工作磁感應(yīng)強(qiáng)度值減小，但這樣會(huì)降低鐵芯的利用率;二是增加軟啟動(dòng)環(huán)節(jié)，啟動(dòng)時(shí)減小功率管的導(dǎo)通脈沖寬度，然后逐漸增大磁感應(yīng)強(qiáng)度到穩(wěn)態(tài)值。

2.2 繞組的漏感

繞組的漏感對(duì)高頻開關(guān)變換器產(chǎn)生很大的負(fù)面效應(yīng)，影響其正常運(yùn)行。例如當(dāng)功率開關(guān)關(guān)斷時(shí)，繞組的漏感儲(chǔ)能釋放，在主開關(guān)上產(chǎn)生電壓尖峰，使功率器件電壓應(yīng)力增大;另外，一臺(tái)開關(guān)變換器中有多個(gè)磁性元件，因而有多個(gè)寄生電感，造成嚴(yán)重的電磁干擾(EMI)。為減少繞組的漏感，可采取的措施有：一是選擇合適的鐵芯結(jié)構(gòu)和形狀;二是繞組設(shè)計(jì)成瘦高型，增加繞組高度，減小繞組厚度;三是繞組采用絞合銅線或?qū)挶°~箔，使銅占因子升高;四是采用分層交叉繞制方法，使繞組耦合緊密。

2.3 集膚效應(yīng)

磁性元件在高頻工作時(shí)，導(dǎo)線中通過交變電流會(huì)產(chǎn)生集膚效應(yīng)，即導(dǎo)線橫截面上的電流分布不均勻，內(nèi)部電流密度小，邊緣部分電流密度大，使導(dǎo)線有效橫截面積減小，電阻增大。為使集膚效應(yīng)的影響減小，導(dǎo)線直徑應(yīng)不大于兩倍滲透深度。

3、 雙管正激變換器中的高頻變壓器設(shè)計(jì)

圖1為組合雙管正激變換器的電路原理圖，M1，M2，D1，D2與副邊拓?fù)錁?gòu)成1#雙管正激變換器，M3，M4，D3，D4與副邊拓?fù)錁?gòu)成2#雙管正激變換器。工作時(shí)，2#變換器的控制脈沖相對(duì)于1#變換器移相了1800，雙路變換器交替工作，向副邊傳輸能量，通過二極管D1，D2或D3，D4向原邊輸入電源回饋能量，實(shí)現(xiàn)鐵芯磁復(fù)位。

圖1 組合雙管正激變換器的電路原理圖

下面針對(duì)圖1中的高頻變壓器進(jìn)行具體的分析與設(shè)計(jì)，電路的參數(shù)如下：輸入電壓Vcc = 12v，輸出電壓Vo = 120v，輸出電流Io = 5A，開關(guān)頻率f = 100K，工作占空比D = 0.45，濾波電感Lf = 50 uH。

3.1 高頻變壓器的磁分析

由于加在變壓器原邊的激磁電壓為單向脈沖，鐵芯的磁狀態(tài)工作于局部磁滯回線上，如圖2所示。當(dāng)功率管導(dǎo)通時(shí)，t∈[0，DT]，變壓器原邊正脈沖電壓序列激磁，鐵芯內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B沿局部磁滯回線從Br磁化到Bm;關(guān)斷時(shí)，t∈[DT，T]，變壓器原邊電壓為零，鐵芯通過二極管實(shí)現(xiàn)磁復(fù)位，磁感應(yīng)強(qiáng)度B沿局部磁滯回線從Bm去磁至Br。

圖2 變壓器鐵芯的局部磁滯回線

通過圖2可知，由于鐵芯磁狀態(tài)只在B-H平面第一象限內(nèi)變化，故鐵芯不能充分利用，利用率較低，并且工作于局部磁滯回線，磁導(dǎo)率也較低。因此，對(duì)于雙管正激變換器中的高頻變壓器，應(yīng)選擇高Bs、高磁導(dǎo)率、低Br及低損耗的磁性材料。

3.2 高頻變壓器的參數(shù)分析計(jì)算

單路變壓器的工作頻率f = 100k ，因此，對(duì)于濾波電感其工作頻率為2f = 200k，分析計(jì)算可得：

峰峰值電感電流：

其中， VD：續(xù)流二極管壓降，取為0.5v。

電感的平均電流：

電感的最大電流：