單端反激電路中高頻變壓器的設計

摘要：依據一個(gè)單端反激電路的實(shí)例詳細介紹了高頻變壓器設計的一般方法和步驟，并討論變壓器的繞制工藝問(wèn)題

敘詞：反激電路;高頻變壓器;變壓器的繞制

Abstract：The method of design high frequency transformer in fly-back circuit in introduced in detail, besides the Transformer winding process is discussed.

Keyword：fly-back circuit; high frequency transformer; Transformer winding

0 引言

單端反激變換器在小功率開(kāi)關(guān)電源設計中應用非常廣泛，且多路輸出較方便。單端反激電源的工作模式有兩種，電流連續模式和電流斷續模式。前者適用于較小功率，副邊二極管沒(méi)有反向恢復的問(wèn)題，但MOS管的峰值電流相對較大;后者M(jìn)OS管的峰值電流相對較小，但存在副邊二極管的反向恢復問(wèn)題，需要給二極管加吸收電路。這兩種工作模式可根據實(shí)際需求來(lái)選擇。

單端反激開(kāi)關(guān)電源的變壓器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)耦合電感，它要承擔著(zhù)儲能、變壓、傳遞能量等工作。研究使用頻率更高的電源變壓器是降低電源系統體積、提高電源輸出功率的關(guān)鍵因素。隨著(zhù)應用技術(shù)領(lǐng)域的不斷擴展，開(kāi)關(guān)電源的應用愈來(lái)愈廣泛，但制作開(kāi)關(guān)電源的主要技術(shù)和耗費主要精力就是制作開(kāi)關(guān)變壓器。

本文將以單端反激電路為例，詳細介紹高頻變壓器設計的一般方法和步驟。

1 單端反激電路的工作原理

圖1 單端反激電路工作原理圖

當加到原邊住功率開(kāi)關(guān)管Q的激勵脈沖為高電平使Q導通時(shí)，直流輸入電壓Vin加在原邊繞組Np兩端，此時(shí)因副邊繞組相位是上負下正，使整流管D1反向偏置截止;當驅動(dòng)脈沖為低電平使Q截止時(shí)，原邊繞組Np兩端電壓極性反向，使副邊繞組相位變?yōu)樯险仑?，則整流管被正向偏置而導通，此后儲存在變壓器中的磁能向負載傳遞釋放。因單端反激式變換器只是在原邊開(kāi)關(guān)管導通期間儲存能量，當它截止時(shí)才向負載釋放能量，故高頻變壓器在開(kāi)關(guān)工作過(guò)程中，既起到變壓隔離作用，又是電感儲能元件。因此又稱(chēng)單端反激式變換器是一種“電感儲能式變換器”。

在反激變換器中，一般有兩種工作方式

(1)完全能量轉換(電感電流不連續方式)：在儲能周期(ton)中，變壓器中儲存的所有能量在反激周期(t0ff)中都轉移到輸出端。

(2)不完全能量轉換(電感電流連續方式)：儲存在變壓器中的一部分能量在t0ff末保留到下一個(gè)ton的開(kāi)始。

這兩種工作方式的小信號傳遞函數是極不相同的，動(dòng)態(tài)分析時(shí)要做不同的處理。實(shí)際上，當變換器輸入電壓在一個(gè)較大范圍內發(fā)生變化，或和負載電流在較大范圍內變化時(shí)，必然跨越著(zhù)兩種工作方式，因此反激變換器常要求能在完全和不完全能量轉換方式下都能穩定工作。

設計一單端反激電路高頻變壓器，其主要參數如下：

原邊繞組電壓幅值 Ui=176~264Vac , 47-63Hz

次級輸出電壓 Uo=12V

開(kāi)關(guān)頻率 f=70kHz

額定輸出電流 Io=2A

變壓器效率 η=0.78

2 初選磁芯型號

適用于高頻的磁芯材料有鐵氧體磁芯，鐵粉磁芯以及非晶合金。設計時(shí)，要查找三類(lèi)磁芯的基本特性以選擇合適的磁芯材料，在一般情況下都可選用鐵氧體材料滿(mǎn)足設計要求。然后再根據廠(chǎng)家提供的磁芯材料手冊(一般可在磁芯廠(chǎng)家網(wǎng)站獲得)選取具體的磁芯材料編號并獲得其具體特性參數。

磁芯規格的選取通?？上裙浪阕儔浩鞯男?，然后由輸出功率和估算效率計算出變壓器的輸入功率，再根據廠(chǎng)家給出的磁芯規格和傳送功率的關(guān)系數據來(lái)選擇。初選一磁芯型號代入以后的步驟進(jìn)行計算。

根據設計要求，查找磁芯手冊，選取EI28鐵氧體磁芯，其交變工作磁密ΔBac為0.2T，磁芯有效面積Ae為84.41mm2。

3 繞組匝數的計算

原邊繞組開(kāi)關(guān)晶體管Q的最大導通時(shí)間對應在最低輸入電壓和最大負載時(shí)發(fā)生。在這個(gè)例子中，假設D=ton/Ts=0.45，工作頻率70kHz。

Ts=1/fs=106/(70×103)=14

ton=D×Ts=0.45×14=6.30µs

設當變換器在最低線(xiàn)路輸入電壓時(shí)發(fā)生滿(mǎn)載工作，計算它的輸入端的直流電壓Vin。對于單相交流整流用電容濾波，直流電壓不會(huì )超過(guò)交流輸入電壓有效值的1.4倍，也不小于1.2倍。它與電源線(xiàn)路中的電源阻抗，整流器電壓降，儲能電容的等效阻抗，以及負載大小均有關(guān)，在此取1.3。設交流電壓220V下限為176V。

Vin=176×1.3=228.8V

因為作用電壓是一個(gè)方波，一個(gè)導通期間的伏秒值與原邊匝數關(guān)系為

NP= Vin×ton/(ΔBac×Ae)

式中 NP----原邊匝數

Vin----原邊所加直流電壓(V)

ton----導通時(shí)間(µs)

ΔBac----交變工作磁密(mT)

Ae----磁芯有效面積(mm2)

NP= 228.8×6.30/(0.2×84.41)=86匝

以輸出電壓12V為例進(jìn)行計算，設整流二極管壓降0.6V，繞組壓降0.6V，則副邊繞組電壓值為12+0.6+0.6=13.2V。

原邊繞組每匝伏數= Vin/ NP=228.8/86=2.66V/匝

副邊繞組匝數NS=13.2/2.66=4.96匝

由于副邊低壓大電流，應避免使用半匝線(xiàn)圈(除非特殊技術(shù)上需要)，考慮到磁芯磁路可能產(chǎn)生飽和時(shí)，使變壓器調節性能變差，因此取4.96的整數值5匝。

因副邊取整數5匝，反激電壓小于正向電壓，新的每匝的反激電壓是13.2/5=2.64V/匝。占空比必須以同樣的比率變化來(lái)維持伏秒相等。

ton= Ts×2.64/(2.64+2.66)=14×2.64/5.3=6.97µs

4 確定磁芯氣隙的大小

上面已經(jīng)分析過(guò)，帶氣隙的磁芯在一個(gè)更大的磁場(chǎng)強度H值下才會(huì )產(chǎn)生磁飽和，因此磁芯可經(jīng)受一個(gè)更大的直流成分。另外，當H=0時(shí)，Br更小，磁芯的磁感應強度B有一個(gè)更大的可用工作范圍ΔB。最后，有氣隙時(shí)，導磁能力降低，導致每匝的電感量減小，繞組總電感值減小，但氣隙的存在減少磁芯里直流成分所產(chǎn)生的磁通。