單端反激式開關(guān)電源變壓器-基礎(chǔ)電子

精品文檔-下載后可編輯單端反激式開關(guān)電源變壓器-基礎(chǔ)電子摘要：基于反激式變壓器拓?fù)湓?，設(shè)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(guān)電源變壓器設(shè)計時一些關(guān)鍵參數(shù)的選擇原則和設(shè)計步驟及驗證方法，總結(jié)了設(shè)計過程中的一些注意事項。使用結(jié)果表明：該設(shè)計方法在簡化和明確變壓器設(shè)計過程的同時，所設(shè)計的變壓器應(yīng)用于絕緣電阻測試儀升壓模塊中約250V的逆變升壓時表現(xiàn)出穩(wěn)定的升壓性能。

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)鋵崿F(xiàn)。在所有拓?fù)渲蟹醇な阶儔浩鳂?gòu)成的升壓式開關(guān)電源具有電路簡單、元器件少的優(yōu)點，在小功率開關(guān)電源中經(jīng)常采用。而變壓器的設(shè)計需要技術(shù)人員根據(jù)一些經(jīng)驗參數(shù)來進(jìn)行變壓器的設(shè)計和繞制。會出現(xiàn)經(jīng)驗設(shè)計多于準(zhǔn)確的參數(shù)設(shè)計，而且在高頻條件下變壓器的設(shè)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(shè)計兩者相互結(jié)合。本文結(jié)合實際設(shè)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(shè)計方案，并給出相關(guān)參數(shù)設(shè)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(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。當(dāng)原邊繞組導(dǎo)通期間，次級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)原邊繞組截止時次級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。可以從輸入輸出電壓、電流波形關(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、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

單端反激式變壓器設(shè)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(guān)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值10V、占空比、開關(guān)頻率10kH-z、輸出功率15W等參數(shù)，然后再按照下面步驟設(shè)計合適的開關(guān)變壓器。

2．1選定工作點

的交流輸入電壓，對應(yīng)于的輸出功率，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的占空比，使其符合變壓器的設(shè)計要求。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輸出功率，升壓開關(guān)電源的效率一般在80％～90％之間，設(shè)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．25T，Kj為電流密度，取一般值600A／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(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：

這個匝數(shù)計算出來為原邊少匝數(shù)，取22匝。其中Bmax為磁芯飽和磁通密度(0．25T)(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0．7V。

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(yīng)的UO、UF的值即可計算出各路輸出的匝數(shù)。設(shè)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10V，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線徑：

采用圓形導(dǎo)線，分別為原邊繞組電流2A，電流密度500A／cm2，截面積0．004cm2，直徑O．07cm；反饋輸出繞組電流0．5A。電流密度500A／cm2，截面積0．001cm2，直徑0．035cm；負(fù)載輸出繞組電流0．04A，電流密度500A／cm2，截面積0．00008cm2，直徑0．01cm。

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500A／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)計中采用O．025cm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)計和制作時必須引入氣隙，否則會出現(xiàn)磁芯飽和，本設(shè)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(dāng)?shù)臍庀?，如圖3(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，這也是選擇EE磁芯作為開關(guān)變壓器磁芯的一個重要因素。

3驗證設(shè)計

3．1驗證磁感應(yīng)強度

驗證磁感應(yīng)強度是否是超過磁芯的允許值：

小于磁芯磁感應(yīng)強度值。當(dāng)原邊線圈流過峰值電流時，此時磁芯達(dá)到磁感應(yīng)強度。

3．驗證趨膚效應(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)線時總是趨向于從表面流過，這會使導(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對于銅導(dǎo)線等于1。利用這個方法可以計算出運行在頻率為10kHz時的導(dǎo)線半徑，可以得出導(dǎo)線直徑DAWG為1．3mm；所有線徑都小于這個線徑。

由EE-25窗口尺寸和線徑尺寸計算可得表1如下。

導(dǎo)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(yù)留0．15cm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0．015cm，骨架厚度為0．1cm，總厚度為O．1+O．025+O．Ol×7+O．035+0．015×10=0．38cm，考慮到3個繞組之間的絕緣層厚度可適當(dāng)加厚，窗口寬度0．645cm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12V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10kHz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250V高壓輸出端，作為絕緣電阻測試儀高壓電源。

5結(jié)束語

設(shè)計開關(guān)變壓器，對于變壓器生產(chǎn)制作技術(shù)人員而言必須知道以下參數(shù)：磁芯型號、同名端、輸出功率、原邊繞組電感、工作頻率、原邊繞組匝數(shù)、