實例講解電源高頻變壓器的設計方法

摘要：本文通過實例介紹了開關電源中高頻變壓器的設計方法

敘詞：開關電源 高頻變壓器

Abstract：the design method of high frequency transformer in SMPS is introduced through example.

Keyword：SMPS high frequency trnformer

設計高頻變壓器是電源設計過程中的難點，下面以反饋式電流不連續(xù)電源高頻變壓器為例，向大家介紹一種電源高頻變壓器的設計方法。

設計目標：電源輸入交流電壓在180V~260V之間，頻率為50Hz，輸出電壓為直流5V、14A，功率為70W，電源工作頻率為30KHz。

設計步驟：

1、計算高頻變壓器初級峰值電流Ipp

由于是電流不連續(xù)性電源，當功率管導通時，電流會達到峰值，此值等于功率管的峰值電流。由電感的電流和電壓關系V=L*di/dt可知：

輸入電壓：Vin(min)=Lp*Ipp/Tc

取1/Tc=f/Dmax，則上式為：

Vin(min)=Lp*Ipp*f/Dmax

其中：　　 V in?。?直流輸入電壓，V

Lp　 ： 高頻變壓器初級電感值，mH

Ipp?。?變壓器初級峰值電流，A

Dmax： 最大工作周期系數(shù)

f　?。?電源工作頻率，kHz

在電流不連續(xù)電源中，輸出功率等于在工作頻率下的每個周期內儲存的能量，其為：

Pout=1/2*Lp*Ipp2*f

將其與電感電壓相除可得：

Pout/Vin(min)=Lp*Ipp2*f*Dmax/(2*Lp*Ipp*f)

由此可得：

Ipp=Ic=2*Pout/(Vin(min)*Dmax)

其中：Vin(min)=1.4*Vacin(min)-20V(直流漣波及二極管壓降)=232V，取最大工作周期系數(shù)Dmax=0.45。則：

Ipp=Ic=2*Pout/(Vin(min)*Dmax)=2*70/(232*0.45)=1.34A

當功率管導通時，集極要能承受此電流。

2、求最小工作周期系數(shù)Dmin

在反饋式電流不連續(xù)電源中，工作周期系數(shù)的大小由輸入電壓決定。

Dmin=Dmax/[(1-Dmax)*k+Dmax]

其中：k=Vin(max)/Vin(min)

Vin(max)=260V*1.4-0V(直流漣波)=364V，若允許10%誤差，Vin(max)=400V。

Vin(min)=232V，若允許7%誤差，Vin(min)=216V。

由此可得：

k=Vin(max)/Vin(min)=400/216=1.85

Dmin=Dmax/[(1-Dmax)*k+Dmax]=0.45/[(1-0.45)*1.85+0.45]=0.31

因此，當電源的輸入直流電壓在216V~400V之間時，工作周期系數(shù)D介于0.31~0.45之間。

3、計算高頻變壓器的初級電感值Lp

Lp=Vin(min)*Dmax/(Ipp*f)=216*0.45/(1.34*30*103)=2.4mH

4、計算出繞組面積Aw和鐵心有效面積Ae的乘積Aw*Ae,選擇鐵心尺寸。

如果我們只繞初級于線架上，則：

Aw*Ae=(6.33*Lp*Ipp*d2)*108/Bmax

其中：d為絕緣線的直徑，Bmax選擇為Bsat/2。

在反饋式變壓器中，如果初級占30%的繞組面積，則其余的70%為次級和絕緣空間，因此，Aw*Ae須再乘以3倍，為了安全起見，我們將其提高為4倍。因此，

Aw*Ae=4*(6.33*Lp*Ipp*d2)*108/Bmax

此式只是估算，最后鐵心和線架的選擇是可以改變的。

假設選擇繞組繞線的電流密度為400c.m/A，則400c.m/A*1.34A=536(c.m),我們參考美國線規(guī)(AWG)，取NO.22AWG導線，其值為0.028IN。我們選擇TDK　H7C1材料的E-E型鐵心，它在100℃時，Bsat=3900G，Bmax=Bsat/2=1950G，可得：

Aw*Ae=4*(6.33*Lp*Ipp*d2)*108/Bmax

=4*(6.33*2.4*103*1.34*0.0282)*108/1950

=3.27cm4

由TDK目錄中可查得EE42*42*15的鐵心和線架Aw*Ae=1.83cm2*1.83cm2=3.33cm4，因此，我們選用此鐵心。

5、計算空氣間隙長度Lg

在反饋式電源變壓器中，磁通只在第一象限中變化，電流磁通量不會出現(xiàn)負值。為防止變壓器飽和，可以采用大體積鐵心或在磁通路徑上使用空氣間隙，為減少電源體積，我們采用間隙法，使磁滯回路變的平坦，在相同的直流偏壓下可降低工作的磁通密度。

在磁通路徑上，空氣間隙會產(chǎn)生較大的磁阻，因此，變壓器所存儲的大部分能量是在空氣間隙中，空氣間隙體積為Vg，長度為Lg。由，

1/2*Lp*Ipp2=1/2*Bmax*H*Vg*108

Vg=Ae*Lg

u0H=Bmax/(0.4*π)

u0 ：空氣磁導率=1

可得：

Lg=0.4*π*Lp*Ipp2*108/(Bmax2*Ae)=0.4*π*2.4*10-3*1.342*108/(19502*1.82)=0.078cm

因此，我們在E-E鐵心中心柱分割0.078cm的間隙。

6、計算變壓器初級線圈Np

Np=Lp*Ipp*108/(Ae*Bmax)=2.4*10-3*1.34*108/(1.82*1950)=90(T)

7、計算變壓器次級線圈Ns

在輸入電壓最小、工作周期最大時，計算變壓器次級線圈Ns。

Vout+Vd=Vin(min)*Dmax/(1-Dmax)*Ns/Np　　　 (Vd是整流管壓降)

Ns=Np*(Vp+Vd)*(1-Dmax)/(Vin(min)*Dmax)

=90*(5+1)*(1-0.45)/(232*0.45)

=2.84(T)

取整數(shù)為3圈。

電源輸入電流為14A，400c.m/A*14A=5600(c.m)，考慮到集膚效應和生產(chǎn)作業(yè)方便，我們采用1400c.m，4條線并聯(lián)聯(lián)使用，AWG NO：18即可。

高頻變壓器的設計方法很多，希望此例對大家有所幫助。