單端反激式開關(guān)電源變壓器

摘要：基于反激式變壓器拓?fù)湓?，設(shè)計(jì)了單端反激式變壓器，用于電纜絕緣電阻測(cè)試儀高壓電源的DC-DC逆變升壓模塊。提出單端反激式開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)時(shí)一些關(guān)鍵參數(shù)的選擇原則和設(shè)計(jì)步驟及驗(yàn)證方法，總結(jié)了設(shè)計(jì)過程中的一些注意事項(xiàng)。使用結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)方法在簡(jiǎn)化和明確變壓器設(shè)計(jì)過程的同時(shí)，所設(shè)計(jì)的變壓器應(yīng)用于絕緣電阻測(cè)試儀升壓模塊中約250 V的逆變升壓時(shí)表現(xiàn)出穩(wěn)定的升壓性能。
關(guān)鍵詞：開關(guān)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(guān)電源根據(jù)不同的輸出要求采用不同的變壓器拓?fù)潆娐?，同樣的電源也采用不同的變壓器拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)。在所有拓?fù)渲蟹醇な阶儔浩鳂?gòu)成的升壓式開關(guān)電源具有電路簡(jiǎn)單、元器件最少的優(yōu)點(diǎn)，在小功率開關(guān)電源中經(jīng)常采用。而變壓器的設(shè)計(jì)需要技術(shù)人員根據(jù)一些經(jīng)驗(yàn)參數(shù)來進(jìn)行變壓器的設(shè)計(jì)和繞制。會(huì)出現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)多于準(zhǔn)確的參數(shù)設(shè)計(jì)，而且在高頻條件下變壓器的設(shè)計(jì)和制作不同于普通的工頻變壓器，更加需要實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和理論設(shè)計(jì)兩者相互結(jié)合。本文結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)和制作變壓器的經(jīng)驗(yàn)，提出一種工作于斷續(xù)電流模式(DCM)下的反激式變壓器設(shè)計(jì)方案，并給出相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)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(guān)管VT1的導(dǎo)通和截止使得原邊繞組線圈產(chǎn)生交變電流信號(hào)。當(dāng)原邊繞組導(dǎo)通期間，次級(jí)繞組輸出電壓為上負(fù)下正，整流二極管VD1和VD2截止，輸出電容Co和Cf放電；當(dāng)原邊繞組截止時(shí)次級(jí)輸出電壓為上正下負(fù)，整流二極管VD1和VD2導(dǎo)通，輸出電容Co和Cf充電，與正激式電路充放電過程相反?？梢詮妮斎胼敵鲭妷骸㈦娏鞑ㄐ侮P(guān)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(guān)管VT1柵極脈寬調(diào)制信號(hào)、漏源極電壓、整流二極管VD1和VD2電流、負(fù)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(shè)計(jì)
    單端反激式變壓器設(shè)計(jì)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(guān)頻率、額定輸出功率等整個(gè)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(guān)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(shè)計(jì)合適的開關(guān)變壓器。

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2．1 選定工作點(diǎn)
    最低的交流輸入電壓，對(duì)應(yīng)于最大的輸出功率，由原邊電感電流在開關(guān)管導(dǎo)通和截止期間電流的峰值相等和電磁感應(yīng)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(guān)系：
   
    求出占空比后，在前端脈寬調(diào)制電路中控制前端信號(hào)的占空比，使其符合變壓器的設(shè)計(jì)要求。此外，反饋調(diào)節(jié)占空比可以穩(wěn)定和達(dá)到要求的輸出電壓。

        從式(3)可知，反激電壓和占空比的關(guān)系可以在后續(xù)變壓器調(diào)節(jié)中選擇合適的開關(guān)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(shí)際功率可以計(jì)算出最大輸出功率，升壓開關(guān)電源的效率一般在80％～90％之間，設(shè)計(jì)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(gè)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(guān)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(gè)匝數(shù)計(jì)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(dǎo)通壓降0．7 V。[!--empirenews.page--]
    對(duì)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(duì)應(yīng)的UO、UF的值即可計(jì)算出各路輸出的匝數(shù)。設(shè)計(jì)時(shí)，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(dǎo)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(fù)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(jì)算繞組線徑時(shí)，電流密度K取值比計(jì)算面積時(shí)稍微小一點(diǎn)，取值500 A／cm2，以使得導(dǎo)線線徑在滿足繞組電流和功率的情況下選用細(xì)導(dǎo)線并繞的方式繞制原邊繞組，設(shè)計(jì)中采用O．025 cm線徑的導(dǎo)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(shè)計(jì)和制作時(shí)必須引入氣隙，否則會(huì)出現(xiàn)磁芯飽和，本設(shè)計(jì)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(dāng)?shù)臍庀叮鐖D3(b)所示。
   
式中，lg為氣隙長(zhǎng)度(cm)、AL為磁芯無氣隙時(shí)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(guān)變壓器磁芯的一個(gè)重要因素。

3 驗(yàn)證設(shè)計(jì)
3．1 驗(yàn)證最大磁感應(yīng)強(qiáng)度
    驗(yàn)證最大磁感應(yīng)強(qiáng)度是否是超過磁芯的允許值：
   
    小于磁芯磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值。當(dāng)原邊線圈流過峰值電流時(shí)，此時(shí)磁芯達(dá)到最大磁感應(yīng)強(qiáng)度。
3． 驗(yàn)證趨膚效應(yīng)的大小
    高頻變壓器的交流損耗是由高頻電流的趨膚效應(yīng)以及磁芯的損耗引起的。高頻電流通過導(dǎo)線時(shí)總是趨向于從表面流過，這會(huì)使導(dǎo)線的有效流通面積減小，并使導(dǎo)線的交流等效阻抗遠(yuǎn)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(duì)于銅導(dǎo)線等于1。利用這個(gè)方法可以計(jì)算出運(yùn)行在頻率為10 kHz時(shí)的最大導(dǎo)線半徑，可以得出最大導(dǎo)線直徑DAWG為1．3 mm；所有線徑都小于這個(gè)線徑。
3．3 驗(yàn)證繞組
    由EE-25窗口尺寸和線徑尺寸計(jì)算可得表1如下。

    導(dǎo)線采用漆包線，在計(jì)算每層匝數(shù)時(shí)在窗口高度兩側(cè)各預(yù)留0．15 cm的空間，且忽略包漆厚度，因?yàn)閷?shí)際繞制時(shí)總比每層計(jì)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(gè)繞組之間的絕緣層厚度可適當(dāng)加厚，窗口寬度0．645 cm能夠繞下。

4 變壓器在開關(guān)電源中的應(yīng)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(guān)管漏極之間加入RCD開關(guān)管保護(hù)電路，開關(guān)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(hào)。變壓器次級(jí)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(cè)試儀高壓電源。

5 結(jié)束語
    設(shè)計(jì)開關(guān)變壓器，對(duì)于變壓器生產(chǎn)制作技術(shù)人員而言必須知道以下參數(shù)：磁芯型號(hào)、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(xì)節(jié)，但是詳細(xì)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(shè)計(jì)沒有固定的步驟可循，特別是磁芯的選擇，需要和磁芯技術(shù)人員進(jìn)行溝通，單純的依靠公式選擇出來的磁芯的參數(shù)和實(shí)際的磁芯參數(shù)有較大的誤差，只有獲得了正確、準(zhǔn)確的磁芯參數(shù)，帶入這些參數(shù)設(shè)計(jì)出來的變壓器才會(huì)和實(shí)際性能接近。