單端正激變壓器的設計

1 單端正激變壓器原理

    單端正激變壓器的原理圖如圖1所示。

    單端正激變壓器又稱"buck"轉換器。因其在原邊繞組接通電源Vi的同時把能量傳遞到輸出端而得名。正激式變壓器的轉換功率通常在50～500 W之間。輸出電壓Vo由匝比n、占空比D和輸入電壓Vi確定。

   

    當PWM控制器輸出正脈沖，功率開關導通，變壓器的初級繞組通過電流，此電流由兩部分組成，一部分為磁化電流即流經(jīng)等效開環(huán)電感上的電流，另一部分足與輸出電流等效的初級電流，他和初次級匝比成正比，和輸出電流成正比。儲存在電感上的能量必須在功率開關關斷后下一次開啟前泄放掉，以便使磁通復位。N3為去磁繞組。

2 變壓器磁芯的選用原則

    高頻開關電源中的變壓器從性能價格比考慮，MnZn功率鐵氧體材料是最佳的選擇。應用于高頻開關電源變壓器中的鐵氧體應具有以下磁特性：高飽和磁通密度或高的振幅磁導率，在工作頻率范圍有低的磁芯總損耗，較低的溫度系數(shù)，較高的居里溫度。

    磁芯損耗Pc主要由磁滯損耗Ph和渦流損耗Pe(包括剩余損耗Pr)組成，即：
   

    磁滯損耗Ph正比于直流磁滯回線的面積，并與頻率成正比關系。即：

   

    對于工作頻率在100kHz以下的功率鐵氧體磁芯，降低磁滯損耗是最重要的，為降低損耗，即要降低矯頑力Hc、剩余磁感應強度。要達到此目的，須從兩方面著手，一是從配方成分方面，盡量使磁晶各項異性常數(shù)k→0，磁滯伸縮常數(shù)→0；二是在工藝上要做到高密度、大晶粒、均勻完整、另相少、內應力小、氣孔少。

3 單端正激變壓器的設計步驟

(1)了解變壓器的各項指標要求；
(2)選取磁芯材質確定△B值；
(3)計算磁芯的AP值，確定磁芯型號規(guī)格；
(4)計算初次級繞線匝數(shù)；
(5)計算線徑dw。

4 設計舉例

(1) 變壓器相關參數(shù)

INPUT：DC，48 V，50 W；
工作頻率：100 kHz；
傳輸效率：75％；
OUTPUT：5 V；
風冷散熱：J=400A／cm2。

(2) 根據(jù)變壓器對鐵氧體磁芯高Bs、低功耗的要求、可選用TDK的PC40，PC44，PC50或飛利浦的3F3，3F4材料。綜合考慮性價比因素，選用TDK的PC40材質。因為罐型磁芯具有較好的屏蔽，有利于解決EMI中的棘手問題--輻射，所以磁芯形狀選用罐型。同時不能使局部溫度太高，必須均衡放置發(fā)熱元件．另外還要求較低的紋波和較高的效率，所有這些考慮使得采用正激式比較合適。

TDK PC40材料的相關參數(shù)：

    考慮磁芯實際使用中由于高溫效應、瞬間情況等引起B(yǎng)s，Br的變化，使△B動態(tài)范圍變小而出現(xiàn)飽和，因此設計時一般必須留出一定的安全空間，即選擇：

則

(3) 計算磁芯AP值，決定磁芯規(guī)格型號



式中：Aw磁芯銅窗面積(cm2)；
Ae：磁芯有效截面積(cm2)；
Ps：變壓器傳遞視在功率(W)；
△B：磁感應增量(T)；
f：變壓器工作頻率(Hz)；
J：電流密度；
Ku：銅窗占用系數(shù)取0.2。
將△B=0.25 T，f=105 Hz，J=400 A／cm2代入上式得：

    查閱有關TDK DATA選用PC40P26／16Z-52H罐型磁芯，其參數(shù)如表1所示。



(4) 計算Np，Ns



(5) 檢查△B選擇合理性



(6) 計算線徑dwp，dws



原邊電流Ip：
查閱有關AWG導線規(guī)格可用AWG19線，其Axp=0.65 mm2。副邊繞組：

副邊繞組截面積Ss：

導線直徑 ；

rp：并聯(lián)根數(shù)取2；

將數(shù)據(jù)代人得：dws=0.77 mm；

查閱有關AWG導線規(guī)格可用AWG21，其d=0.785mm.

5 結 語

    變壓器磁芯的△B的取值對磁芯體積、損耗工作穩(wěn)定性都有直接影響，導線的電流密度取值受磁芯AP值限制，決定于散熱方式。最優(yōu)化設計應同時考慮體積、溫升、成本因素來確定。