38kHz/375W開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)

0 引言
隨著電子技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，開關(guān)電源SMPS(switch mode power supply)作為各種電子設(shè)備、信息設(shè)備的電源部分，更加要求效率高、成本小、體積小、重量輕、具有可移動(dòng)性和能夠模塊化。變壓器作為開關(guān)電源的必不可少的磁性元件，對(duì)其進(jìn)行合理優(yōu)化的設(shè)計(jì)顯得非常重要。在高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中，真止難以把握的是磁路部分的設(shè)計(jì)，開關(guān)電源變壓器作為磁路部分的核心元件，不但需要滿足上述的要求，還要求它性能高，對(duì)外界干擾小。由于它的復(fù)雜性，對(duì)其設(shè)計(jì)一、兩次往往不容易成功，一般需要多次的計(jì)算和反復(fù)的試驗(yàn)。因此，要提高設(shè)計(jì)的效果，設(shè)汁者必須有較高的理論知識(shí)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 開關(guān)電源變換器的性能指標(biāo)
開關(guān)電源變換器的部分原理圖如圖1所示。

其主要技術(shù)參數(shù)如下：
電路形式 半橋式；
整流形式 全波整流；
工作頻率 f=38kHz；
變換器輸入直流電壓 Ui=310V；
變換器輸出直流電壓 Ub=14.7V；
輸出電流 Io=25A；
工作脈沖的占空度 D=0.25～O.85；
轉(zhuǎn)換效率 η≥85％；
變壓器允許溫升 △τ=50℃；
變換器散熱方式 風(fēng)冷；
工作環(huán)境溫度 t=45℃～85℃。

2 變壓器磁芯的選擇以及工作磁感應(yīng)強(qiáng)度的確定
2.1 變壓器磁芯的選擇
目前，高頻開關(guān)電源變壓器所用的磁芯材料一般有鐵氧體、坡莫合金材料、非晶合金和超微晶材料。這些材料中，坡莫合金價(jià)格最高，從降低電源產(chǎn)品的成本方面來考慮不宜采用。非晶合金和超微晶材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度雖然高，但在假定的測試頻率和整個(gè)磁通密度的測試范圍內(nèi)，它們呈現(xiàn)的鐵損最高，因此，受到高功率密度和高效率的制約，它們也不宜采用。雖然鐵氧體材料的損耗比坡莫合金大些，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度也比非晶合金和超微晶材料低，但鐵氧體材料價(jià)格便宜，可以做成多種幾何形狀的鐵芯。對(duì)于大功率、低漏磁變壓器設(shè)計(jì)，用E-E型鐵氧體鐵芯制成的變壓器是最符合其要求的，而且E-E型鐵芯很容易用鐵氧體材料制作。所以，綜合來考慮，變換器的變壓器磁芯選擇功率鐵氧體材料，E-E型。
2.2 工作磁感應(yīng)強(qiáng)度的確定
工作磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm是開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要指標(biāo)，它與磁芯結(jié)構(gòu)形式、材料性能、工作頻率及輸出功率的因素有關(guān)關(guān)。若工作磁感應(yīng)強(qiáng)度選擇太低，則變壓器體積重量增加，匝數(shù)增加，分布參數(shù)性能惡化；若工作磁感應(yīng)強(qiáng)度選擇過高，則變壓器溫升高，磁芯容易飽和，工作狀態(tài)不穩(wěn)定。一般情況下，開關(guān)電源變壓器的Bm值應(yīng)選在比飽和磁通密度Bs低一些，對(duì)于鐵氧體材料，工作磁感應(yīng)強(qiáng)度選取一般在0.16T到0.3T之間。在本設(shè)計(jì)中，根據(jù)特定的工作頻率、溫升、工作環(huán)境等因素，把工作磁感應(yīng)強(qiáng)度定在0.2 T。

3 變壓器主要設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算
3.1 變壓器的計(jì)算功率
開關(guān)電源變壓器工作時(shí)對(duì)磁芯所需的功率容量即為變壓器的計(jì)算功率，其大小取決于變壓器的輸出功率和整流電路的形式。變換器輸出電路為全波整流，因此

式中：Pt為變壓器的計(jì)算功率，單位為W；
Po為變壓器的輸出功率，單位為W；
3.2 磁芯設(shè)計(jì)輸出能力的確定
磁芯材料確定后，磁芯面積的乘積反映了變壓器輸出功率的能力。其磁芯面積為

式中：Ap為磁芯截面積乘積，單位為cm4；
Ac為磁芯截面積，單位為cm2；
Am為磁芯窗口截面積，單位為cm2；
Bm為磁芯工作磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為T；
Kw為窗口占空系數(shù)取0.2；
Kj為電流密度系數(shù)(溫升為50℃時(shí)，E形磁芯取534)。
3.3 磁芯的實(shí)際輸出能力
在磁芯工作狀態(tài)確定后，選擇的磁芯結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)稍大于Ap值。因?yàn)樵撟儔浩鞯纳岱绞绞秋L(fēng)扇冷卻，磁芯的實(shí)際輸出能力至少應(yīng)大于設(shè)計(jì)輸出能力的10％，若散熱方式是自動(dòng)冷卻，則要求實(shí)際輸出能力比設(shè)計(jì)輸出能力大更多。查相關(guān)手冊(cè)，找到符合本設(shè)計(jì)要求的E型磁芯的規(guī)格為E42C，尺寸為a=4.2 cm，b=2.11 cm，c=2 cm，d=1.2 cm，e=2.95 cm，f=153 cm。
其實(shí)際輸出能力為

由此可見，Ap’大于Ap(1+10％)=3.48x(1+10％)=3.83 cm4，因此，所選磁芯符合要求。
式中：k為鐵的占空系數(shù)，取k=O.6。
3.4 繞組匝數(shù)的計(jì)算
因?yàn)樽儞Q器的電路形式為半橋式，所以變壓器的初級(jí)電壓Up=Ui/2=310/2=155 V。在該變換器中滿載電流25 A比較大，整流管和濾波電感上的壓降不可忽視，本變換器所用的整流二極管的壓降在25A電流下約為2．5V，濾波電感的直流壓降取0．5V；另外，變換器滿載工作時(shí)會(huì)把電壓拉低，為避免把工作脈沖的占空比拉到最大時(shí)電壓電流仍然達(dá)不到要求，變壓器次級(jí)電壓要有一定的裕度，一般取變換器輸出電壓的30％；所以，變壓器的次級(jí)電壓Us=147+2.5+O5+14.730％=22.1l V。
3.4.1 初級(jí)繞組匝數(shù)N1

3.4.2 次級(jí)繞組匝數(shù)N2

式中：Ton為初級(jí)輸入脈沖電壓寬度，單位為μs。
取占空度D=O.5，Ton=D/f=13 μs。
3.5 導(dǎo)線線徑的計(jì)算
繞組的導(dǎo)線大小根據(jù)變壓器各繞組的工作電流和電流密度來確定。另外，若變壓器的工作頻率超過20 kHz，還需要考慮電流趨膚效應(yīng)的影響，導(dǎo)線直徑應(yīng)小于兩倍的穿透深度。頻率為38 kHz時(shí)銅導(dǎo)線的趨膚深度△~O.41 mm，因此，所取導(dǎo)線直徑應(yīng)小于0.82 mm。
3.5.1 電流密度

3.5.2 初級(jí)繞組所需導(dǎo)線的截面積

用線徑是O.8mm，截而積是O.5mm2的圓銅線兩根并繞。
3.5.3 截面積
因?yàn)楸咀儔浩鞔渭?jí)是帶中間抽頭輸出，計(jì)算導(dǎo)線的截面積時(shí)，Io需乘以O(shè).707的校正系數(shù)。因此，次級(jí)繞組所需導(dǎo)線的截面積為

用線徑是O.8mm，截面積是0.5mm2的圓銅線8根，分兩組，每組4根并繞，然后兩組并接。

4 線圈的繞制
因?yàn)樽儞Q器用的是中間抽頭變壓器，功率較大，宜采用三明治繞法。三明治繞法是中間初級(jí)繞組，兩邊次級(jí)繞組，或中間次，兩邊初。這種繞法會(huì)對(duì)變壓器的溫度有很大的幫助，且磁力線在變壓器中分布較均勻，所以繞組耦合較均勻，漏感少，對(duì)外界干擾小，對(duì)紋波影響較小。本變壓器初級(jí)繞組繞在中間，次級(jí)是中間抽頭輸出，共有4個(gè)繞組，各2個(gè)繞組繞在初級(jí)的兩邊。

5 結(jié)語
實(shí)驗(yàn)證明，該高頻大功率變壓器滿載工作時(shí)轉(zhuǎn)換效率達(dá)到95.5％，磁芯溫度58℃。工作穩(wěn)定可靠，噪聲很小，對(duì)外界干擾小，表現(xiàn)了優(yōu)良的電氣特性。
設(shè)計(jì)中，在最大輸出功率時(shí)，磁芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度不應(yīng)達(dá)到飽和，以免在大信號(hào)時(shí)產(chǎn)生失真。
該變壓器的工作頻率為38 kHz，由于工作頻率較高，趨膚效應(yīng)影響比較大，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意選擇導(dǎo)線線徑，避免由于趨膚效應(yīng)引起的有效面積的減少。