單端反激式開關電源變壓器

摘要：基于反激式變壓器拓撲原理，設計了單端反激式變壓器，用于電纜絕緣電阻測試儀高壓電源的DC-DC逆變升壓模塊。提出單端反激式開關電源變壓器設計時一些關鍵參數(shù)的選擇原則和設計步驟及驗證方法，總結(jié)了設計過程中的一些注意事項。使用結(jié)果表明：該設計方法在簡化和明確變壓器設計過程的同時，所設計的變壓器應用于絕緣電阻測試儀升壓模塊中約250 V的逆變升壓時表現(xiàn)出穩(wěn)定的升壓性能。
關鍵詞：開關電源；變壓器；單端反激式；升壓模塊

    變壓器的使用在升壓和降壓電源中很常見，開關電源根據(jù)不同的輸出要求采用不同的變壓器拓撲電路，同樣的電源也采用不同的變壓器拓撲實現(xiàn)。在所有拓撲中反激式變壓器構成的升壓式開關電源具有電路簡單、元器件最少的優(yōu)點，在小功率開關電源中經(jīng)常采用。而變壓器的設計需要技術人員根據(jù)一些經(jīng)驗參數(shù)來進行變壓器的設計和繞制。會出現(xiàn)經(jīng)驗設計多于準確的參數(shù)設計，而且在高頻條件下變壓器的設計和制作不同于普通的工頻變壓器，更加需要實際經(jīng)驗和理論設計兩者相互結(jié)合。本文結(jié)合實際設計和制作變壓器的經(jīng)驗，提出一種工作于斷續(xù)電流模式(DCM)下的反激式變壓器設計方案，并給出相關參數(shù)設計方法。

1 反激式變壓器的基本工作原理
    圖1(a)為反激式變壓器的工作原理圖，其中，開關管VT1的導通和截止使得原邊繞組線圈產(chǎn)生交變電流信號。當原邊繞組導通期間，次級繞組輸出電壓為上負下正，整流二極管VD1和VD2截止，輸出電容Co和Cf放電；當原邊繞組截止時次級輸出電壓為上正下負，整流二極管VD1和VD2導通，輸出電容Co和Cf充電，與正激式電路充放電過程相反?？梢詮妮斎胼敵鲭妷?、電流波形關系圖1(b)中得出DCM模式下的工作過程。其中PWM、UDS、IDl，IF1、Io1、Uo2分別為開關管VT1柵極脈寬調(diào)制信號、漏源極電壓、整流二極管VD1和VD2電流、負載輸出端Co正極性端電壓波形、反饋輸出端Cf正極性端電壓波形。

2 單端反激式變壓器設計
    單端反激式變壓器設計流程如圖2所示，首先根據(jù)逆變升壓模塊前后電路的需要，列出輸入電壓、輸出電壓參數(shù)、開關頻率、額定輸出功率等整個系統(tǒng)需要變壓器完成的參數(shù)要求，包括Uin(min)、Dmax、F、Po(max)分別為輸入直流電壓最小值10 V、最大占空比、開關頻率10kH-z、輸出最大功率15W等參數(shù)，然后再按照下面步驟設計合適的開關變壓器。

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2．1 選定工作點
    最低的交流輸入電壓，對應于最大的輸出功率，由原邊電感電流在開關管導通和截止期間電流的峰值相等和電磁感應定理得到：
   
式中，Uor為原邊反激電壓，單位為V；L為原邊電感，單位為H。
    占空比Dmax和反激電壓Uor的關系：
   
    求出占空比后，在前端脈寬調(diào)制電路中控制前端信號的占空比，使其符合變壓器的設計要求。此外，反饋調(diào)節(jié)占空比可以穩(wěn)定和達到要求的輸出電壓。

        從式(3)可知，反激電壓和占空比的關系可以在后續(xù)變壓器調(diào)節(jié)中選擇合適的開關管，占空比越小，反激電壓就越小。
2．2 磁芯的選擇
    高頻變壓器的最大承受功率Po(max)與磁芯截面積Ae和窗口面積的面積積Ap之間存在：
   
    由實際功率可以計算出最大輸出功率，升壓開關電源的效率一般在80％～90％之間，設計中η取80％，Po為15w，Ku為窗口利用系數(shù)，取典型值0．29，Bmax取一般值O．25 T，Kj為電流密度，取一般值600 A／cm2。每個磁芯都有固定的面積積，在廠家提供的磁芯參數(shù)表里面查詢大于或等于所求面積積的磁芯，可以獲得符合要求的EE形磁芯，其中磁芯EE-25參數(shù)如圖3(a)所注，其中相關尺寸數(shù)據(jù)如下：
  
    由于EE-25的面積積為0．428，大于0．384，因此，選擇EE-25型磁芯。

2．3 原邊繞組電流
    
2．4 原邊電感量
    原邊電感量為：

   
    這個匝數(shù)計算出來為原邊最少匝數(shù)，取22匝。其中Bmax為磁芯飽和磁通密度(0．25 T)(選定磁芯后就已經(jīng)確定)。
2．6 副邊繞組匝數(shù)
    副邊繞組匝數(shù)為：
   
    這里取值690匝，UF為輸出整流二極管的導通壓降0．7 V。[!--empirenews.page--]
    對于多路輸出變壓器而言，先修改前面的輸出功率為各路輸出功率之和，帶入各路對應的UO、UF的值即可計算出各路輸出的匝數(shù)。設計時，需要在變壓器引入反饋繞組來調(diào)節(jié)和穩(wěn)定前端脈寬調(diào)制電路的占空比，反饋電壓為10 V，可以求得反饋繞組匝數(shù)為29．1匝，取整30匝。
2．7 繞組線徑和繞線方式
    由電流密度定義可以求出繞線的最小線徑：
   
    采用圓形導線，分別為原邊繞組電流2 A，電流密度500 A／cm2，截面積0．004 cm2，直徑O．07 cm；反饋輸出繞組電流0．5 A。電流密度500 A／cm2，截面積0．001 cm2，直徑0．035 cm；負載輸出繞組電流0．04 A，電流密度500 A／cm2，截面積0．000 08 cm2，直徑0．01 cm。
    為了減小高頻干擾的影響，在計算繞組線徑時，電流密度K取值比計算面積時稍微小一點，取值500 A／cm2，以使得導線線徑在滿足繞組電流和功率的情況下選用細導線并繞的方式繞制原邊繞組，設計中采用O．025 cm線徑的導線，并繞線數(shù)，取3線并繞的方式繞制原邊線圈。
2．8 引入氣隙
    單端反激式變壓器的設計和制作時必須引入氣隙，否則會出現(xiàn)磁芯飽和，本設計和制作選擇在所選EE系列磁芯兩邊墊磁性材料使磁回路加入適當?shù)臍庀叮鐖D3(b)所示。
   
式中，lg為氣隙長度(cm)、AL為磁芯無氣隙時的電感因數(shù)(nH／N2)，氣隙的位置安排在EE磁芯中是最好的，其氣隙是在磁組件里面被分開的，這樣可使邊緣磁通噪聲最小，這也是選擇EE磁芯作為開關變壓器磁芯的一個重要因素。

3 驗證設計
3．1 驗證最大磁感應強度
    驗證最大磁感應強度是否是超過磁芯的允許值：
   
    小于磁芯磁感應強度最大值。當原邊線圈流過峰值電流時，此時磁芯達到最大磁感應強度。
3． 驗證趨膚效應的大小
    高頻變壓器的交流損耗是由高頻電流的趨膚效應以及磁芯的損耗引起的。高頻電流通過導線時總是趨向于從表面流過，這會使導線的有效流通面積減小，并使導線的交流等效阻抗遠高于銅電阻。由趨膚深度定義。其中，ε、F、K分別為趨膚深度、頻率、趨膚系數(shù)，K對于銅導線等于1。利用這個方法可以計算出運行在頻率為10 kHz時的最大導線半徑，可以得出最大導線直徑DAWG為1．3 mm；所有線徑都小于這個線徑。
3．3 驗證繞組
    由EE-25窗口尺寸和線徑尺寸計算可得表1如下。

    導線采用漆包線，在計算每層匝數(shù)時在窗口高度兩側(cè)各預留0．15 cm的空間，且忽略包漆厚度，因為實際繞制時總比每層計算出來的可以繞制匝數(shù)要多一些。

繞組方式如圖4所示，其中絕緣層為0．015 cm，骨架厚度為0．1 cm，總厚度為O．1+O．025+O．Ol×7+O．035+0．015×10=0．38 cm，考慮到3個繞組之間的絕緣層厚度可適當加厚，窗口寬度0．645 cm能夠繞下。

4 變壓器在開關電源中的應用
    將原邊繞組同名端串聯(lián)分壓電阻后接12 V直流電壓，并在同名端和開關管漏極之間加入RCD開關管保護電路，開關管柵極接PWM脈寬調(diào)制電路。脈寬調(diào)制電路是由變壓器輔助繞組的輸出整流電容Cf的正極性端引入的反饋電壓控制和調(diào)節(jié)的TL494基本電路組成。調(diào)節(jié)PWM輸出脈寬占空比為0．445，頻率為10 kHz的脈寬信號。變壓器次級繞組的輸出整流電容Co的正極性端，經(jīng)二次整流電路后輸出作為接近250 V高壓輸出端，作為絕緣電阻測試儀高壓電源。

5 結(jié)束語
    設計開關變壓器，對于變壓器生產(chǎn)制作技術人員而言必須知道以下參數(shù)：磁芯型號、同名端、輸出功率、原邊繞組電感、工作頻率、原邊繞組匝數(shù)、輔助線圈匝數(shù)、原邊繞組線徑、反饋線圈線徑、輸出繞組線徑以及繞線方式和注意細節(jié)，但是詳細的參數(shù)列表可以方便變壓器制作完成后調(diào)試和修改。此外，變壓器的設計沒有固定的步驟可循，特別是磁芯的選擇，需要和磁芯技術人員進行溝通，單純的依靠公式選擇出來的磁芯的參數(shù)和實際的磁芯參數(shù)有較大的誤差，只有獲得了正確、準確的磁芯參數(shù)，帶入這些參數(shù)設計出來的變壓器才會和實際性能接近。