單端反激電路中高頻變壓器的設計

摘要：依據(jù)一個單端反激電路的實例詳細介紹了高頻變壓器設計的一般方法和步驟，并討論變壓器的繞制工藝問題

敘詞：反激電路;高頻變壓器;變壓器的繞制

Abstract：The method of design high frequency transformer in fly-back circuit in introduced in detail, besides the Transformer winding process is discussed.

Keyword：fly-back circuit; high frequency transformer; Transformer winding

0 引言

單端反激變換器在小功率開關電源設計中應用非常廣泛，且多路輸出較方便。單端反激電源的工作模式有兩種，電流連續(xù)模式和電流斷續(xù)模式。前者適用于較小功率，副邊二極管沒有反向恢復的問題，但MOS管的峰值電流相對較大;后者MOS管的峰值電流相對較小，但存在副邊二極管的反向恢復問題，需要給二極管加吸收電路。這兩種工作模式可根據(jù)實際需求來選擇。

單端反激開關電源的變壓器實質上是一個耦合電感，它要承擔著儲能、變壓、傳遞能量等工作。研究使用頻率更高的電源變壓器是降低電源系統(tǒng)體積、提高電源輸出功率的關鍵因素。隨著應用技術領域的不斷擴展，開關電源的應用愈來愈廣泛，但制作開關電源的主要技術和耗費主要精力就是制作開關變壓器。

本文將以單端反激電路為例，詳細介紹高頻變壓器設計的一般方法和步驟。

1 單端反激電路的工作原理

圖1 單端反激電路工作原理圖

當加到原邊住功率開關管Q的激勵脈沖為高電平使Q導通時，直流輸入電壓Vin加在原邊繞組Np兩端，此時因副邊繞組相位是上負下正，使整流管D1反向偏置截止;當驅動脈沖為低電平使Q截止時，原邊繞組Np兩端電壓極性反向，使副邊繞組相位變?yōu)樯险仑?，則整流管被正向偏置而導通，此后儲存在變壓器中的磁能向負載傳遞釋放。因單端反激式變換器只是在原邊開關管導通期間儲存能量，當它截止時才向負載釋放能量，故高頻變壓器在開關工作過程中，既起到變壓隔離作用，又是電感儲能元件。因此又稱單端反激式變換器是一種“電感儲能式變換器”。

在反激變換器中，一般有兩種工作方式

(1)完全能量轉換(電感電流不連續(xù)方式)：在儲能周期(ton)中，變壓器中儲存的所有能量在反激周期(t0ff)中都轉移到輸出端。

(2)不完全能量轉換(電感電流連續(xù)方式)：儲存在變壓器中的一部分能量在t0ff末保留到下一個ton的開始。

這兩種工作方式的小信號傳遞函數(shù)是極不相同的，動態(tài)分析時要做不同的處理。實際上，當變換器輸入電壓在一個較大范圍內發(fā)生變化，或和負載電流在較大范圍內變化時，必然跨越著兩種工作方式，因此反激變換器常要求能在完全和不完全能量轉換方式下都能穩(wěn)定工作。

設計一單端反激電路高頻變壓器，其主要參數(shù)如下：

原邊繞組電壓幅值 Ui=176~264Vac , 47-63Hz

次級輸出電壓 Uo=12V

開關頻率 f=70kHz

額定輸出電流 Io=2A

變壓器效率 η=0.78

2 初選磁芯型號

適用于高頻的磁芯材料有鐵氧體磁芯，鐵粉磁芯以及非晶合金。設計時，要查找三類磁芯的基本特性以選擇合適的磁芯材料，在一般情況下都可選用鐵氧體材料滿足設計要求。然后再根據(jù)廠家提供的磁芯材料手冊(一般可在磁芯廠家網(wǎng)站獲得)選取具體的磁芯材料編號并獲得其具體特性參數(shù)。

磁芯規(guī)格的選取通?？上裙浪阕儔浩鞯男?，然后由輸出功率和估算效率計算出變壓器的輸入功率，再根據(jù)廠家給出的磁芯規(guī)格和傳送功率的關系數(shù)據(jù)來選擇。初選一磁芯型號代入以后的步驟進行計算。

根據(jù)設計要求，查找磁芯手冊，選取EI28鐵氧體磁芯，其交變工作磁密ΔBac為0.2T，磁芯有效面積Ae為84.41mm2。

3 繞組匝數(shù)的計算

原邊繞組開關晶體管Q的最大導通時間對應在最低輸入電壓和最大負載時發(fā)生。在這個例子中，假設D=ton/Ts=0.45，工作頻率70kHz。

Ts=1/fs=106/(70×103)=14

ton=D×Ts=0.45×14=6.30µs

設當變換器在最低線路輸入電壓時發(fā)生滿載工作，計算它的輸入端的直流電壓Vin。對于單相交流整流用電容濾波，直流電壓不會超過交流輸入電壓有效值的1.4倍，也不小于1.2倍。它與電源線路中的電源阻抗，整流器電壓降，儲能電容的等效阻抗，以及負載大小均有關，在此取1.3。設交流電壓220V下限為176V。

Vin=176×1.3=228.8V

因為作用電壓是一個方波，一個導通期間的伏秒值與原邊匝數(shù)關系為

NP= Vin×ton/(ΔBac×Ae)

式中 NP----原邊匝數(shù)

Vin----原邊所加直流電壓(V)

ton----導通時間(µs)

ΔBac----交變工作磁密(mT)

Ae----磁芯有效面積(mm2)

NP= 228.8×6.30/(0.2×84.41)=86匝

以輸出電壓12V為例進行計算，設整流二極管壓降0.6V，繞組壓降0.6V，則副邊繞組電壓值為12+0.6+0.6=13.2V。

原邊繞組每匝伏數(shù)= Vin/ NP=228.8/86=2.66V/匝

副邊繞組匝數(shù)NS=13.2/2.66=4.96匝

由于副邊低壓大電流，應避免使用半匝線圈(除非特殊技術上需要)，考慮到磁芯磁路可能產(chǎn)生飽和時，使變壓器調節(jié)性能變差，因此取4.96的整數(shù)值5匝。

因副邊取整數(shù)5匝，反激電壓小于正向電壓，新的每匝的反激電壓是13.2/5=2.64V/匝。占空比必須以同樣的比率變化來維持伏秒相等。

ton= Ts×2.64/(2.64+2.66)=14×2.64/5.3=6.97µs

4 確定磁芯氣隙的大小

上面已經(jīng)分析過，帶氣隙的磁芯在一個更大的磁場強度H值下才會產(chǎn)生磁飽和，因此磁芯可經(jīng)受一個更大的直流成分。另外，當H=0時，Br更小，磁芯的磁感應強度B有一個更大的可用工作范圍ΔB。最后，有氣隙時，導磁能力降低，導致每匝的電感量減小，繞組總電感值減小，但氣隙的存在減少磁芯里直流成分所產(chǎn)生的磁通。