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）

7)計(jì)算變壓器輸入功率P1與輸出功率P2

P1=Up1·I1（7）P2=∑(Up2·Ip2·)（8）

8)確定磁芯尺寸[7]

首先確定銅耗因子Z，Z的表達(dá)式為Z=1.96×（9）

式中：τ是環(huán)境溫度（℃）；

Δτ是變壓器溫升（℃）。

然后計(jì)算脈沖磁感應(yīng)增量ΔBm，

ΔBm=KB·Bm（10）

式中：KB是磁感應(yīng)強(qiáng)度系數(shù)；

Bm是磁芯材料最大工作磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）。

對(duì)于R2K鐵氧體磁芯，最大工作磁感應(yīng)強(qiáng)度是0.3T。磁感應(yīng)強(qiáng)度系數(shù)KB可以從圖2所示的磁感應(yīng)強(qiáng)度系數(shù)曲線圖得出，它取決于輸出功率P2（W），工作頻率f（kHz）和變壓器平均溫升Δτ（℃）。

變壓器所需磁芯結(jié)構(gòu)常數(shù)Y由下式確定Y=（11）

式中：Y是變壓器所需磁芯結(jié)構(gòu)常數(shù)（cm5）；

q是單位散熱表面功耗（W/cm2），q可以從溫升和q值關(guān)系曲線中得出，如果環(huán)境溫度為25℃，變壓器溫升為50℃，對(duì)應(yīng)的q值為0.06。

圖2磁感應(yīng)強(qiáng)度系數(shù)

計(jì)算出Y之后，選擇磁芯結(jié)構(gòu)常數(shù)Yc≥Y的磁芯，然后從磁芯生產(chǎn)廠商提供的資料中查出變壓器散熱表面積St(cm2)，等效截面積Ae(cm2)等磁芯參數(shù)，或者自行設(shè)計(jì)滿足結(jié)構(gòu)常數(shù)的磁芯。

9)計(jì)算初級(jí)繞組匝數(shù)（N1）[7]N1=·104（12）

10)計(jì)算次級(jí)繞組匝數(shù)NiNi=N1(i=2，3，4…)（13）

式中：Upi是次級(jí)各繞組輸出電壓幅值（V）。

11)計(jì)算去磁繞組匝數(shù)

對(duì)于采用第三繞組復(fù)位的正激變換器，復(fù)位繞組的匝數(shù)越多，最大占空比越小，開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力越低，但是最大占空比越小，變壓器的利用率越低。故需綜合考慮最大占空比和開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力，一般選擇去磁繞組匝數(shù)（NH）和初級(jí)繞組匝數(shù)相同，即

NH=N1（14）

需要注意的是，應(yīng)該確保初級(jí)繞組和去磁繞組緊密耦合。

2.3確定導(dǎo)線規(guī)格

1)計(jì)算變壓器銅耗Pm

根據(jù)變壓器平均溫升確定變壓器總損耗，減去磁芯損耗即得出銅耗，再根據(jù)銅耗來(lái)計(jì)算電流密度。計(jì)算銅耗應(yīng)該在磁芯規(guī)格確定之后進(jìn)行。

Pm=q·St－Pb·Gc(W)（15）

式中：St是變壓器表面積（cm2）；

Pb是在工作磁感應(yīng)強(qiáng)度和頻率下單位質(zhì)量的磁芯損耗（W/kg）；

Gc是磁芯質(zhì)量（kg）。

在實(shí)際計(jì)算中，銅耗可以按總損耗的一半處理。

2)計(jì)算銅線質(zhì)量Gm

Gm=8.9·lm·SW·Km(kg)（16）

式中：lm是線圈平均匝長(zhǎng)（cm）；

SW是磁芯窗口面積（cm2）；

Km是銅線窗口占空系數(shù)，定義為繞組凈可繞線空間與導(dǎo)線截面積之比。

計(jì)算銅線占空系數(shù)時(shí)應(yīng)根據(jù)不同情況選取適當(dāng)值，一般選取范圍在0.25～0.4之間，采用多股并繞時(shí)應(yīng)選取較小值。

3)計(jì)算電流密度JJ=(A/mm2)（17）

4)計(jì)算導(dǎo)線截面積Smi和線徑diSmi=(mm2)（18）di=1.13·(mm)（19）

式中：Ii是各繞組電流有效值（A）。

計(jì)算所需導(dǎo)線直徑時(shí)，應(yīng)考慮趨膚效應(yīng)的影響。當(dāng)導(dǎo)線直徑大于2倍趨膚深度時(shí)，應(yīng)盡可能采用多股導(dǎo)線并繞。采用n股導(dǎo)線并繞時(shí)，每股導(dǎo)線的直徑din按下式計(jì)算。din=(mm)（20）

銅線的趨膚深度Δ有以下經(jīng)驗(yàn)公式Δ=(mm)（21）

如果采用多股導(dǎo)線并繞，導(dǎo)線的股數(shù)太多，可以采用銅箔。在使用銅箔時(shí)，銅箔的厚度應(yīng)該小于兩倍的趨膚深度，銅箔的截面積必須大于該繞組導(dǎo)線所需的截面積。

在計(jì)算完畢后，校驗(yàn)窗口尺寸，計(jì)算分布參數(shù)，校驗(yàn)損耗和溫升等。

3應(yīng)用實(shí)例

設(shè)計(jì)一個(gè)用于輸入為48V（36～72V），輸出為2.2V、20A的正激變換器的高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器，工作頻率是200kHz，最大占空比為0.45，采用第三繞組復(fù)位，銅線的趨膚深度為Δ=0.148mm。按照上述設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)的高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器如下：

磁芯規(guī)格EFD20，磁芯材料為3F3，Ae=31.0mm2，Philips；

初級(jí)繞組16匝，采用型號(hào)為AWG31的銅線，6股并繞；

復(fù)位繞組16匝，采用型號(hào)為AWG33的銅線；

次級(jí)繞組2匝，采用厚度t=0.1mm，寬度b=14mm的銅箔，兩層并繞，即截面積S=2.8mm2。

在最終確定導(dǎo)線規(guī)格時(shí)，均保留了一定的裕度。為使各繞組耦合良好，采用交錯(cuò)繞線技術(shù)，如圖3所示[8]，其中P1和P2為變壓器初級(jí)繞組，并聯(lián)；S1和S2為變壓器次級(jí)繞組，并聯(lián)；R為變壓器復(fù)位繞組。那么，初級(jí)繞組采用AWG31的銅線，兩層；次級(jí)繞組采用采用厚度t=0.1mm，寬度b=14mm，即S=1.4mm2的銅箔，兩層。

設(shè)計(jì)出的變壓器的初級(jí)勵(lì)磁電感值實(shí)測(cè)為L(zhǎng)m=320.40μH，次級(jí)電感值實(shí)測(cè)為L(zhǎng)s=5.18μH，初級(jí)漏

正激變換器中變壓器的設(shè)計(jì)

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圖3交錯(cuò)變壓器結(jié)構(gòu)圖

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感電感值實(shí)測(cè)約為0.18μH。該變壓器在正激變換器中的工作特性很好。

4結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)闡述了正激變換器中變壓器的設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合具體設(shè)計(jì)任務(wù)，設(shè)計(jì)出一個(gè)用于48V（36～72V）輸入，2.2V、20A輸出的高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器。設(shè)計(jì)出的變壓器在實(shí)際電路中表現(xiàn)出良好的電氣特性。