高頻開關變換器中的磁性元件設計

摘要：鑒于常規(guī)的磁性元件設計方法存在局限性，不能全面反映其實際工作情況。本文針對600W雙管正激變換器中的高頻變壓器采用“Magnetics Designer”軟件進行自行設計，給出了具體的設計方法和設計過程，并通過Pspice仿真驗證其設計效果。

敘詞：磁性元件 雙管正激 變換器 Pspice 電源

Abstract：The design method and procedure of high frequency transformer in 600W double-transistor forword converter with Magnetics Designer software are introduced in this paper.And design results are also simulated in Pspice.

Keyword：magnetic element double-transistor forward converter Pspice

1、 引言

在高頻開關變換器中磁性元件的應用非常廣泛，主要有變壓器和電感器兩大類：當變壓器用時，可起電氣隔離、升降壓及磁耦合傳遞能量等作用;當電感器用時，起到儲存能量、平波與濾波等功能。并且其性能的好壞對變換器的性能產生重要影響，特別對整個裝置的效率、體積及重量起舉足輕重的作用。因此，磁性元件的設計是高頻開關變換器設計中的重要環(huán)節(jié)。

高頻開關變換器中的磁性元件設計，通常是根據(jù)鐵芯的工作狀態(tài)，合理選用鐵芯材料，正確設計計算磁性元件的鐵芯及繞組參數(shù)。但由于磁性元件所涉及的參數(shù)太多，其工作狀態(tài)不易透徹掌握，因此常規(guī)的設計方法不能全面反映其實際工作情況和考慮其它因素的影響，也就很難達到所需的性能指標和滿足設計要求。

針對高頻開關變換器中的磁性元件設計的重要性、必要性及其復雜性，筆者采用Intusoft公司的“Magnetics Designer”軟件根據(jù)磁性元件的實際工作情況進行計算設計，獲得較理想的效果。本文首先介紹了磁性元件設計中應考慮、注意的一些問題，并針對600W雙管正激變換器中的高頻變壓器給出了具體的設計方法和設計過程，最后通過仿真加以驗證。

2、 磁性元件設計中應考慮的一些問題

2.1 鐵芯瞬態(tài)飽和

在高頻開關變換器啟動瞬間，由于雙倍磁通效應，其磁性元件的鐵芯可能瞬態(tài)達到飽和，從而產生很大的浪涌電流，導致與磁性元件相連的開關器件損壞。因此，為防止鐵芯瞬態(tài)飽和，可采用的方法：一是把工作磁感應強度值減小，但這樣會降低鐵芯的利用率;二是增加軟啟動環(huán)節(jié)，啟動時減小功率管的導通脈沖寬度，然后逐漸增大磁感應強度到穩(wěn)態(tài)值。

2.2 繞組的漏感

繞組的漏感對高頻開關變換器產生很大的負面效應，影響其正常運行。例如當功率開關關斷時，繞組的漏感儲能釋放，在主開關上產生電壓尖峰，使功率器件電壓應力增大;另外，一臺開關變換器中有多個磁性元件，因而有多個寄生電感，造成嚴重的電磁干擾(EMI)。為減少繞組的漏感，可采取的措施有：一是選擇合適的鐵芯結構和形狀;二是繞組設計成瘦高型，增加繞組高度，減小繞組厚度;三是繞組采用絞合銅線或寬薄銅箔，使銅占因子升高;四是采用分層交叉繞制方法，使繞組耦合緊密。

2.3 集膚效應

磁性元件在高頻工作時，導線中通過交變電流會產生集膚效應，即導線橫截面上的電流分布不均勻，內部電流密度小，邊緣部分電流密度大，使導線有效橫截面積減小，電阻增大。為使集膚效應的影響減小，導線直徑應不大于兩倍滲透深度。

3、 雙管正激變換器中的高頻變壓器設計

圖1為組合雙管正激變換器的電路原理圖，M1，M2，D1，D2與副邊拓撲構成1#雙管正激變換器，M3，M4，D3，D4與副邊拓撲構成2#雙管正激變換器。工作時，2#變換器的控制脈沖相對于1#變換器移相了1800，雙路變換器交替工作，向副邊傳輸能量，通過二極管D1，D2或D3，D4向原邊輸入電源回饋能量，實現(xiàn)鐵芯磁復位。

圖1 組合雙管正激變換器的電路原理圖

下面針對圖1中的高頻變壓器進行具體的分析與設計，電路的參數(shù)如下：輸入電壓Vcc = 12v，輸出電壓Vo = 120v，輸出電流Io = 5A，開關頻率f = 100K，工作占空比D = 0.45，濾波電感Lf = 50 uH。

3.1 高頻變壓器的磁分析

由于加在變壓器原邊的激磁電壓為單向脈沖，鐵芯的磁狀態(tài)工作于局部磁滯回線上，如圖2所示。當功率管導通時，t∈[0，DT]，變壓器原邊正脈沖電壓序列激磁，鐵芯內磁感應強度B沿局部磁滯回線從Br磁化到Bm;關斷時，t∈[DT，T]，變壓器原邊電壓為零，鐵芯通過二極管實現(xiàn)磁復位，磁感應強度B沿局部磁滯回線從Bm去磁至Br。

圖2 變壓器鐵芯的局部磁滯回線

通過圖2可知，由于鐵芯磁狀態(tài)只在B-H平面第一象限內變化，故鐵芯不能充分利用，利用率較低，并且工作于局部磁滯回線，磁導率也較低。因此，對于雙管正激變換器中的高頻變壓器，應選擇高Bs、高磁導率、低Br及低損耗的磁性材料。

3.2 高頻變壓器的參數(shù)分析計算

單路變壓器的工作頻率f = 100k ，因此，對于濾波電感其工作頻率為2f = 200k，分析計算可得：

峰峰值電感電流：

其中， VD：續(xù)流二極管壓降，取為0.5v。

電感的平均電流：

電感的最大電流：