單端反激電路中高頻變壓器的設(shè)計(jì)

摘要：依據(jù)一個單端反激電路的實(shí)例詳細(xì)介紹了高頻變壓器設(shè)計(jì)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(guān)電源設(shè)計(jì)中應(yīng)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(fù)的問題，但MOS管的峰值電流相對較大;后者M(jìn)OS管的峰值電流相對較小，但存在副邊二極管的反向恢復(fù)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(shí)際需求來選擇。

單端反激開關(guān)電源的變壓器實(shí)質(zhì)上是一個耦合電感，它要承擔(dān)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(guān)鍵因素。隨著應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，開關(guān)電源的應(yīng)用愈來愈廣泛，但制作開關(guān)電源的主要技術(shù)和耗費(fèi)主要精力就是制作開關(guān)變壓器。

本文將以單端反激電路為例，詳細(xì)介紹高頻變壓器設(shè)計(jì)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(dāng)加到原邊住功率開關(guān)管Q的激勵脈沖為高電平使Q導(dǎo)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(fù)下正，使整流管D1反向偏置截止;當(dāng)驅(qū)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?fù)，則整流管被正向偏置而導(dǎo)通，此后儲存在變壓器中的磁能向負(fù)載傳遞釋放。因單端反激式變換器只是在原邊開關(guān)管導(dǎo)通期間儲存能量，當(dāng)它截止時才向負(fù)載釋放能量，故高頻變壓器在開關(guān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)移到輸出端。

(2)不完全能量轉(zhuǎn)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(shí)際上，當(dāng)變換器輸入電壓在一個較大范圍內(nèi)發(fā)生變化，或和負(fù)載電流在較大范圍內(nèi)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(zhuǎn)換方式下都能穩(wěn)定工作。

設(shè)計(jì)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(guān)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(jì)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(guān)系數(shù)據(jù)來選擇。初選一磁芯型號代入以后的步驟進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)設(shè)計(jì)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(jì)算

原邊繞組開關(guān)晶體管Q的最大導(dǎo)通時間對應(yīng)在最低輸入電壓和最大負(fù)載時發(fā)生。在這個例子中，假設(shè)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(shè)當(dāng)變換器在最低線路輸入電壓時發(fā)生滿載工作，計(jì)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(fù)載大小均有關(guān)，在此取1.3。設(shè)交流電壓220V下限為176V。

Vin=176×1.3=228.8V

因?yàn)樽饔秒妷菏且粋€方波，一個導(dǎo)通期間的伏秒值與原邊匝數(shù)關(guān)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(dǎo)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(jìn)行計(jì)算，設(shè)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(yīng)避免使用半匝線圈(除非特殊技術(shù)上需要)，考慮到磁芯磁路可能產(chǎn)生飽和時，使變壓器調(diào)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(qiáng)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(dāng)H=0時，Br更小，磁芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度B有一個更大的可用工作范圍ΔB。最后，有氣隙時，導(dǎo)磁能力降低，導(dǎo)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。