高頻開(kāi)關(guān)電源中隔離降壓式DC/DC變換器的制作方法

1引言

電力電子技術(shù)中，高頻開(kāi)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(duì)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(shí)，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(jiàn)，在高頻開(kāi)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(kāi)關(guān)電源的磁性元件主要包括變壓器、電感器。為此，本文將對(duì)高頻開(kāi)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(kāi)關(guān)電源變壓器。

2正激變換器中變壓器的制作方法

正激變換器是最簡(jiǎn)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(lì)磁磁通在每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)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(wú)損復(fù)位[4,5]以及諧振復(fù)位[6]等，其中最常見(jiàn)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源變壓器是高頻開(kāi)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(kāi)關(guān)管的作用下，將直流電轉(zhuǎn)變成方波施加于開(kāi)關(guān)電源變壓器上，經(jīng)開(kāi)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(kāi)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(huì)影響到高頻開(kāi)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(duì)磁芯材料的選擇，磁芯與線圈的結(jié)構(gòu)，繞

圖1 第三繞組復(fù)位正激變換器

正激變換器中變壓器的制作

制工藝等都要有周密考慮。開(kāi)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(dòng)的趨膚效應(yīng)。一般根據(jù)高頻開(kāi)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(guò)大，激磁電流過(guò)大，造成波形畸變嚴(yán)重，會(huì)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(huì)超過(guò)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(duì)電性能要求和經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)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(jí)工作時(shí)，次級(jí)也同時(shí)工作。

1)計(jì)算次級(jí)繞組峰值電流IP2

變壓器次級(jí)繞組的峰值電流IP2等于高頻開(kāi)關(guān)電源的直流輸出電流Io，即

IP2=Io（1）

2)計(jì)算次級(jí)電流有效值I2I2=·Ip2（2）

式中：D是正激變換器最大占空比。

3)計(jì)算初級(jí)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(jí)繞組電阻壓降和開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通壓降之和（V）。

4）計(jì)算次級(jí)繞組電壓幅值Up2Up2=（4）

式中：Uo是變壓器次級(jí)負(fù)載直流電壓（V）；

ΔU2是變壓器次級(jí)繞組電阻壓降和整流管壓降之和（V）。

5)計(jì)算初級(jí)電流有效值I1

忽略勵(lì)磁電流等影響因素，初級(jí)電流有效值I1按單向脈沖方波的波形來(lái)計(jì)算：I1=·I2（5）

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(jí)電流有效值的5％～10％，即

IH≈(0.05～0.1)·I1（6）