單端正激變壓器的設(shè)計(jì)

    開(kāi)關(guān)電源變壓器是高頻開(kāi)關(guān)電源的核心元件。其作用為：磁能轉(zhuǎn)換、電壓變換和絕緣隔離。開(kāi)關(guān)變壓器性能的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。高頻開(kāi)關(guān)變壓器的設(shè)計(jì)主要包括兩部分：繞組設(shè)計(jì)及磁芯設(shè)計(jì)。本文將對(duì)應(yīng)用在高頻下的單端正激變壓器的設(shè)計(jì)方法及磁芯的選擇給出較為詳細(xì)的論述。

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(chēng)"buck"轉(zhuǎn)換器。因其在原邊繞組接通電源Vi的同時(shí)把能量傳遞到輸出端而得名。正激式變壓器的轉(zhuǎn)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(dāng)PWM控制器輸出正脈沖，功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，變壓器的初級(jí)繞組通過(guò)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(kāi)環(huán)電感上的電流，另一部分足與輸出電流等效的初級(jí)電流，他和初次級(jí)匝比成正比，和輸出電流成正比。儲(chǔ)存在電感上的能量必須在功率開(kāi)關(guān)關(guān)斷后下一次開(kāi)啟前泄放掉，以便使磁通復(fù)位。N3為去磁繞組。

2 變壓器磁芯的選用原則

    高頻開(kāi)關(guān)電源中的變壓器從性能價(jià)格比考慮，MnZn功率鐵氧體材料是最佳的選擇。應(yīng)用于高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器中的鐵氧體應(yīng)具有以下磁特性：高飽和磁通密度或高的振幅磁導(dǎo)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(xiàn)的面積，并與頻率成正比關(guān)系。即：

   

    對(duì)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(yīng)強(qiáng)度。要達(dá)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(xiàng)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(nèi)應(yīng)力小、氣孔少。

3 單端正激變壓器的設(shè)計(jì)步驟

(1)了解變壓器的各項(xiàng)指標(biāo)要求；
(2)選取磁芯材質(zhì)確定△B值；
(3)計(jì)算磁芯的AP值，確定磁芯型號(hào)規(guī)格；
(4)計(jì)算初次級(jí)繞線(xiàn)匝數(shù)；
(5)計(jì)算線(xiàn)徑dw。

4 設(shè)計(jì)舉例

(1) 變壓器相關(guān)參數(shù)

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

(2) 根據(jù)變壓器對(duì)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?xún)r(jià)比因素，選用TDK的PC40材質(zhì)。因?yàn)楣扌痛判揪哂休^好的屏蔽，有利于解決EMI中的棘手問(wèn)題--輻射，所以磁芯形狀選用罐型。同時(shí)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(guān)參數(shù)：

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

則

(3) 計(jì)算磁芯AP值，決定磁芯規(guī)格型號(hào)



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



(4) 計(jì)算Np，Ns



(5) 檢查△B選擇合理性



(6) 計(jì)算線(xiàn)徑dwp，dws



原邊電流Ip：
查閱有關(guān)AWG導(dǎo)線(xiàn)規(guī)格可用AWG19線(xiàn)，其Axp=0.65 mm2。副邊繞組：

副邊繞組截面積Ss：

導(dǎo)線(xiàn)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(guān)AWG導(dǎo)線(xiàn)規(guī)格可用AWG21，其d=0.785mm.

5 結(jié) 語(yǔ)

    變壓器磁芯的△B的取值對(duì)磁芯體積、損耗工作穩(wěn)定性都有直接影響，導(dǎo)線(xiàn)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(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)考慮體積、溫升、成本因素來(lái)確定。