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正激變換器中變壓器的設(shè)計 胡宗波,張波(華南理工大學(xué)電力學(xué)院雅達(dá)電源實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州510640) 摘 要:詳細(xì)介紹了高頻開關(guān)電源中正激變換器變壓器的設(shè)計方法。按照設(shè)計方法,設(shè)計出一臺高頻開關(guān)電源變壓器,用于輸入為48V(3672V),輸出為2.2V、20A的正激變換器。設(shè)計出的變壓器在實(shí)際電路中表現(xiàn)出良好的電氣特性。 關(guān)鍵詞:高頻開關(guān)電源;正激變換器;開關(guān)電源變壓器1引言 電力電子技術(shù)中,高頻開關(guān)電源的設(shè)計主要分為兩部分,一是電路部分的設(shè)計,二是磁路部分的設(shè)計。相對電路部分的設(shè)計而言,磁路部分的設(shè)計要復(fù)雜得多。磁路部分的設(shè)計,不但要求設(shè)計者擁有全面的理論知識,而且要有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在磁路部分設(shè)計完畢后,還必須放到實(shí)際電路中驗(yàn)證其性能。由此可見,在高頻開關(guān)電源的設(shè)計中,真正難以把握的是磁路部分的設(shè)計。高頻開關(guān)電源的磁性元件主要包括變壓器、電感器。為此,本文將對高頻開關(guān)電源變壓器的設(shè)計,特別是正激變換器中變壓器的設(shè)計,給出詳細(xì)的分析,并設(shè)計出一個用于輸入48V(3672V),輸出2.2V、20A的正激變換器的高頻開關(guān)電源變壓器。2正激變換器中變壓器的設(shè)計方法 正激變換器是最簡單的隔離降壓式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,以確保勵磁磁通在每一個開關(guān)周期開始時處于初始值。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無損復(fù)位4,5以及諧振復(fù)位6等,其中最常見的磁復(fù)位方式是第三繞組復(fù)位。本文設(shè)計的高頻開關(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。 開關(guān)電源變壓器是高頻開關(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。在開關(guān)管的作用下,將直流電轉(zhuǎn)變成方波施加于開關(guān)電源變壓器上,經(jīng)開關(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,而且還會影響到高頻開關(guān)電源的技術(shù)性能和可靠性。所以在設(shè)計和制作時,對磁芯材料的選擇,磁芯與線圈的結(jié)構(gòu),繞制工藝等都要有周密考慮。開關(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)線中流動的趨膚效應(yīng)。一般根據(jù)高頻開關(guān)電源電路設(shè)計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)計的基本原則 在給定的設(shè)計條件下磁感應(yīng)強(qiáng)度B和電流密度J是進(jìn)行變壓器設(shè)計時必須計算的參數(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PBJ。 當(dāng)變壓器尺寸一定時,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過大,激磁電流過大,造成波形畸變嚴(yán)重,會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,溫升將會超過規(guī)定值。因此,在確定磁感應(yīng)強(qiáng)度和電流密度時,應(yīng)把對電性能要求和經(jīng)濟(jì)設(shè)計結(jié)合起來考慮。2.2各繞組匝數(shù)的計算方法 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。變壓器初級工作時,次級也同時工作。 1)計算次級繞組峰值電流IP2 變壓器次級繞組的峰值電流IP2等于高頻開關(guān)電源的直流輸出電流Io,即式中:D是正激變換器最大占空比。 3)計算初級繞組電壓幅值Up1 Up1=UinU1(3)式中:Uin是變壓器輸入直流電壓(V); U1是變壓器初級繞組電阻壓降和開關(guān)管導(dǎo)通壓降之和(V)。 4)計算次級繞組電壓幅值式中:Uo是變壓器次級負(fù)載直流電壓(V); U2是變壓器次級繞組電阻壓降和整流管壓降之和(V)。 5)計算初級電流有效值I1 忽略勵磁電流等影響因素,初級電流有效值I1按單向脈沖方波的波形來計算: 6)計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,約為初級電流有效值的510,即 8)確定磁芯尺寸7 首先確定銅耗因子Z,Z的表達(dá)式為式中:是環(huán)境溫度(); 是變壓器溫升()。 然后計算脈沖磁感應(yīng)增量Bm, Bm=KBBm(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()。 變壓器所需磁芯結(jié)構(gòu)常數(shù)Y由下式確定式中: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,對應(yīng)的q值為0.06。 計算出Y之后,選擇磁芯結(jié)構(gòu)常數(shù)YcY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)計滿足結(jié)構(gòu)常數(shù)的磁芯。 9)計算初級繞組匝數(shù)(N1)7式中:Upi是次級各繞組輸出電壓幅值(V)。 11)計算去磁繞組匝數(shù) 對于采用第三繞組復(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關(guān)管的電壓應(yīng)力,一般選擇去磁繞組匝數(shù)(NH)和初級繞組匝數(shù)相同,即 NH=N1(14) 需要注意的是,應(yīng)該確保初級繞組和去磁繞組緊密耦合。2.3確定導(dǎo)線規(guī)格 1)計算變壓器銅耗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)銅耗來計算電流密度。計算銅耗應(yīng)該在磁芯規(guī)格確定之后進(jìn)行。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)際計算中,銅耗可以按總損耗的一半處理。 2)計算銅線質(zhì)量Gm式中:lm是線圈平均匝長(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。 計算銅線占空系數(shù)時應(yīng)根據(jù)不同情況選取適當(dāng)值,一般選取范圍在0.250.4之間,采用多股并繞時應(yīng)選取較小值。 3)計算電流密度J 4)計算導(dǎo)線截面積Smi和線徑di式中:Ii是各繞組電流有效值(A)。 計算所需導(dǎo)線直徑時,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,應(yīng)盡可能采用多股導(dǎo)線并繞。采用n股導(dǎo)線并繞時,每股導(dǎo)線的直徑din按下式計算。 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,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。 在計算完畢后,校驗(yàn)窗口尺寸,計算分布參數(shù),校驗(yàn)損耗和溫升等。3應(yīng)用實(shí)例 設(shè)計一個用于輸入為48V(3672V),輸出為2.2V、20A的正激變換器的高頻開關(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=0.148mm。按照上述設(shè)計方法,設(shè)計的高頻開關(guān)電源變壓器如下: 磁芯規(guī)格EFD20,磁芯材料為3F3,Ae=31.0mm2,Philips; 初級繞組16匝,采用型號為AWG31的銅線,6股并繞; 復(fù)位繞組16匝,采用型號為AWG33的銅線; 次級繞組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,均保留了一定的裕度。為使各繞組耦合良好,采用交錯繞線技術(shù),如圖3所示8,其中P1和P2為變壓器初級繞組,并聯(lián);S1和S2為變壓器次級繞組,并聯(lián);R為變壓器復(fù)位繞組。那么,初級繞組采用AWG31的銅線,兩層;次級繞組采用采用厚度t=0.1mm,寬度b=14mm,即S=1.4mm2的銅箔,兩層。 設(shè)計出的變壓器的初級勵磁電感值實(shí)測為Lm=320.40H,次級電感值實(shí)測為Ls=5.18H,初級漏感電感值實(shí)測約為0.18H。該變壓器在正激變換器中的工作特性很好。4結(jié)語 本文詳細(xì)闡述了正激變換器中變壓器的設(shè)計方法,并結(jié)合具體設(shè)計任務(wù),設(shè)計出一個用于48V(3672V)輸入,2.2V、20A輸出的高頻開關(guān)電源變壓器。設(shè)計出的變壓器在實(shí)際電路中表現(xiàn)出良好的電氣特性。參考文獻(xiàn)1BridgeCD.ClampvoltageanalysisforRCDforwardconvertersC.AppliedPower ElectronicsConferenceandExposition,2000.APEC2000.FifteenthAnnualIEEE,Volume:2,2000,Page(s):959965vol.2.2JovanovicM.M,ZhangMTandLeeFC.Evaluationof synchronousrectificationef ficiencyimprovementlimitsinforwardconvertersJ.IndustrialElectronics,IEEETransactionson,Volume:42Issue:4,Aug.1995.Page(s):387395.3QiongLi,LeeFCandJovanovicMM.Designconsiderations oftransformer DCbiasofforward converterwithactiveclampresetC.AppliedPowerElectronicsConferenceandExposition,1999.APEC99.FourteenthAnnual,Volume:1,1999,Page(s):553559,vol.1.4NinomiyaT,TanakaTandHaradaK. Analysisandoptimizationofanon dissipativeLCturn offsnubberJ.PowerElectronics,IEEETransactionson,Volume:3Issue:2,April1988,Page(s):147156.5 WittenbrederEH,BaggerlyVDand MartinHC.Adutycycleextension techni queforsingleendedforwardconvertersC.AppliedPowerElectronicsConferenceandExposition,1992.APEC92.ConferenceProceedings1992,SeventhAnnual,1992,Page(s):5157.6CobosJA,GarciaO,SebastionJandUcedaJ.Resonant resetforward topologiesforlowoutputvoltageonboardconvertersC.AppliedPowerElectronicsConferenceandExposition,1994.APEC94.ConferenceProceedings1994,NinthAnnual,1994,Page(s):703708,vol.2.7電子變壓器專業(yè)委員會

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