正激變換器中變壓器的設(shè)計(jì)過程

1引言

電力電子技術(shù)中，高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)主要分為兩部分，一是電路部分的設(shè)計(jì)，二是磁路部分的設(shè)計(jì)。相對電路部分的設(shè)計(jì)而言，磁路部分的設(shè)計(jì)要復(fù)雜得多。磁路部分的設(shè)計(jì)，不但要求設(shè)計(jì)者擁有全面的理論知識，而且要有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在磁路部分設(shè)計(jì)完畢后，還必須放到實(shí)際電路中驗(yàn)證其性能。由此可見，在高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中，真正難以把握的是磁路部分的設(shè)計(jì)。高頻開關(guān)電源的磁性元件主要包括變壓器、電感器。為此，以下將對高頻開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)，特別是正激變換器中變壓器的設(shè)計(jì)，給出詳細(xì)的分析，并設(shè)計(jì)出一個(gè)用于輸入48V(36～72V)，輸出2.2V、20A的正激變換器的高頻開關(guān)電源變壓器。

2.正激變換器中變壓器的設(shè)計(jì)方法

正激變換器是最簡單的隔離降壓式DC/DC變換器，其輸出端的LC濾波器非常適合輸出大電流，可以有效抑制輸出電壓紋波。所以，在所有的隔離DC/DC變換器中，正激變換器成為低電壓大電流功率變換器的首選拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但是，正激變換器必須進(jìn)行磁復(fù)位，以確保勵磁磁通在每一個(gè)開關(guān)周期開始時(shí)處于初始值。正激變換器的復(fù)位方式很多，包括第三繞組復(fù)位、RCD復(fù)位[1,2]、有源箝位復(fù)位[3]、LCD無損復(fù)位[4,5]以及諧振復(fù)位[6]等，其中最常見的磁復(fù)位方式是第三繞組復(fù)位。本文設(shè)計(jì)的高頻開關(guān)電源變壓器采用第三繞組復(fù)位，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

開關(guān)電源變壓器是高頻開關(guān)電源的核心元件，其作用有三：磁能轉(zhuǎn)換、電壓變換和絕緣隔離。在開關(guān)管的作用下，將直流電轉(zhuǎn)變成方波施加于開關(guān)電源變壓器上，經(jīng)開關(guān)電源變壓器的電磁轉(zhuǎn)換，輸出所需要的電壓，將輸入功率傳遞到負(fù)載。開關(guān)變壓器的性能好壞，不僅影響變壓器本身的發(fā)熱和效率，而且還會影響到高頻開關(guān)電源的技術(shù)性能和可靠性。

所以在設(shè)計(jì)和制作時(shí)，對磁芯材料的選擇，磁芯與線圈的結(jié)構(gòu)，繞制工藝等都要有周密考慮。開關(guān)電源變壓器工作于高頻狀態(tài)，分布參數(shù)的影響不能忽略，這些分布參數(shù)有漏感、分布電容和電流在導(dǎo)線中流動的趨膚效應(yīng)。一般根據(jù)高頻開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)的要求提出漏感和分布電容限定值，在變壓器的線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)，而趨膚效應(yīng)影響則作為選擇導(dǎo)線規(guī)格的條件之一。

2.1變壓器設(shè)計(jì)的基本原則

在給定的設(shè)計(jì)條件下磁感應(yīng)強(qiáng)度B和電流密度J是進(jìn)行變壓器設(shè)計(jì)時(shí)必須計(jì)算的參數(shù)。當(dāng)電路主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作頻率、磁芯尺寸給出后，變壓器的功率P與B和J的乘積成正比，即P∝B·J。當(dāng)變壓器尺寸一定時(shí)，B和J選得高一些，則某一給定的磁芯可以輸出更大的功率；反之，為了得到某一給定的輸出功率，B和J選得高一些，變壓器的尺寸就可以小一些，因而可減小體積，減輕重量。但是，B和J的提高受到電性能各項(xiàng)技術(shù)要求的制約。例如，若B過大，激磁電流過大，造成波形畸變嚴(yán)重，會影響電路安全工作并導(dǎo)致輸出紋波增加。若J很大，銅損增大，溫升將會超過規(guī)定值。因此，在確定磁感應(yīng)強(qiáng)度和電流密度時(shí)，應(yīng)把對電性能要求和經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)結(jié)合起來考慮。

2.2各繞組匝數(shù)的計(jì)算方法

正激變換器中的變壓器的磁芯是單向激磁，要求磁芯有大的脈沖磁感應(yīng)增量。變壓器初級工作時(shí)，次級也同時(shí)工作。 1)計(jì)算次級繞組峰值電流IP2 變壓器次級繞組的峰值電流IP2等于高頻開關(guān)電源的直流輸出電流Io，即式中：

D是正激變換器最大占空比。

3)計(jì)算初級繞組電壓幅值Up1 Up1=Uin－ΔU1（3）

式中：Uin是變壓器輸入直流電壓（V）；

ΔU1是變壓器初級繞組電阻壓降和開關(guān)管導(dǎo)通壓降之和（V）。

4）計(jì)算次級繞組電壓幅值式中：Uo是變壓器次級負(fù)載直流電壓（V）； ΔU2是變壓器次級繞組電阻壓降和整流管壓降之和（V）。

5)計(jì)算初級電流有效值I1 忽略勵磁電流等影響因素，初級電流有效值I1按單向脈沖方波的波形來計(jì)算：

6)計(jì)算去磁繞組電流有效值IH 去磁繞組電流約與磁化電流相同，約為初級電流有效值的5％～10％，即

8)確定磁芯尺寸[7] 首先確定銅耗因子Z，Z的表達(dá)式為

式中：τ是環(huán)境溫度（℃）； Δτ是變壓器溫升（℃）。 然后計(jì)算脈沖磁感應(yīng)增量ΔBm， ΔBm=KB·Bm（10）式中：KB是磁感應(yīng)強(qiáng)度系數(shù)； Bm是磁芯材料最大工作磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）。

對于R2K鐵氧體磁芯，最大工作磁感應(yīng)強(qiáng)度是0.3T。磁感應(yīng)強(qiáng)度系數(shù)KB可以從圖2所示的磁感應(yīng)強(qiáng)度系數(shù)曲線圖得出，它取決于輸出功率P2（W），工作頻率f（kHz）和變壓器平均溫升Δτ（℃）。

變壓器所需磁芯結(jié)構(gòu)常數(shù)Y由下式確定式中：Y是變壓器所需磁芯結(jié)構(gòu)常數(shù)（cm5）； q是單位散熱表面功耗（W/cm2），q可以從溫升和q值關(guān)系曲線中得出，如果環(huán)境溫度為25℃，變壓器溫升為50℃，對應(yīng)的q值為0.06。

計(jì)算出Y之后，選擇磁芯結(jié)構(gòu)常數(shù)Yc≥Y的磁芯，然后從磁芯生產(chǎn)廠商提供的資料中查出變壓器散熱表面積St(cm2)，等效截面積Ae(cm2)等磁芯參數(shù)，或者自行設(shè)計(jì)滿足結(jié)構(gòu)常數(shù)的磁芯。

9)計(jì)算初級繞組匝數(shù)（N1）[7]式中：