1、天馬行空官方博客： ；QQ:1318241189；QQ群：175569632正激變換器中變壓器的設計1引言    電力電子技術中，高頻開關電源的設計主要分為兩部分，一是電路部分的設計，二是磁路部分的設計。相對電路部分的設計而言，磁路部分的設計要復雜得多。磁路部分的設計，不但要求設計者擁有全面的理論知識，而且要有豐富的實踐經驗。在磁路部分設計完畢后，還必須放到實際電路中驗證其性能。由此可見，在高頻開關電源的設計中，真正難以把握的是磁路部分的設計。高頻開關電源的磁性元件主要包括變壓器、電感器。為此，本文將對高頻開關電源變壓器的設計，特別是正激變換器中變壓器的設計，給出

2、詳細的分析，并設計出一個用于輸入48V(3672V)，輸出2.2V、20A的正激變換器的高頻開關電源變壓器。2正激變換器中變壓器的設計方法    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撲結構。但是，正激變換器必須進行磁復位，以確保勵磁磁通在每一個開關周期開始時處于初始值。正激變換器的復位方式很多，包括第三繞組復位、RCD復位1,2、有源箝位復位3、LCD無損復位4,5以及諧振復位6等，其中最常見的磁復位方式是

3、第三繞組復位。本文設計的高頻開關電源變壓器采用第三繞組復位，拓撲結構如圖1所示。    開關電源變壓器是高頻開關電源的核心元件，其作用有三：磁能轉換、電壓變換和絕緣隔離。在開關管的作用下，將直流電轉變成方波施加于開關電源變壓器上，經開關電源變壓器的電磁轉換，輸出所需要的電壓，將輸入功率傳遞到負載。開關變壓器的性能好壞，不僅影響變壓器本身的發熱和效率，而且還會影響到高頻開關電源的技術性能和可靠性。所以在設計和制作時，對磁芯材料的選擇，磁芯與線圈的結構，繞制工藝等都要有周密考慮。開關電源變壓器工作于高頻狀態，分布參數的影響不能忽略，這些分布參數有漏感、分布電容和電流在

4、導線中流動的趨膚效應。一般根據高頻開關電源電路設計的要求提出漏感和分布電容限定值，在變壓器的線圈結構設計中實現，而趨膚效應影響則作為選擇導線規格的條件之一。 2.1變壓器設計的基本原則    在給定的設計條件下磁感應強度B和電流密度J是進行變壓器設計時必須計算的參數。當電路主拓撲結構、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PB·J。    當變壓器尺寸一定時，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，

5、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技術要求的制約。例如，若B過大，激磁電流過大，造成波形畸變嚴重，會影響電路安全工作并導致輸出紋波增加。若J很大，銅損增大，溫升將會超過規定值。因此，在確定磁感應強度和電流密度時，應把對電性能要求和經濟設計結合起來考慮。2.2各繞組匝數的計算方法    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等于高頻開關電源的直流

6、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管導通壓降之和（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

7、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的表達式為式中：是環境溫度（）；      是變壓器溫升（）。    然后計算脈沖磁感應增量Bm， &

8、#160;  Bm=KB·Bm（10）式中：KB是磁感應強度系數；      Bm是磁芯材料最大工作磁感應強度（T）。    對于R2K鐵氧體磁芯，最大工作磁感應強度是0.3T。磁感應強度系數KB可以從圖2所示的磁感應強度系數曲線圖得出，它取決于輸出功率P2（W），工作頻率f（kHz）和變壓器平均溫升（）。    變壓器所需磁芯結構常數Y由下式確定式中：Y是變壓器所需磁芯結構常數（cm5）；      q是單位散熱表

9、面功耗（W/cm2），q可以從溫升和q值關系曲線中得出，如果環境溫度為25，變壓器溫升為50，對應的q值為0.06。    計算出Y之后，選擇磁芯結構常數YcY的磁芯，然后從磁芯生產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，或者自行設計滿足結構常數的磁芯。    9)計算初級繞組匝數（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    對于采用第三繞組復位的正激變換器，復位繞組的匝數越多，最大

10、占空比越小，開關管的電壓應力越低，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管的電壓應力，一般選擇去磁繞組匝數（NH）和初級繞組匝數相同，即    NH=N1（14）    需要注意的是，應該確保初級繞組和去磁繞組緊密耦合。2.3確定導線規格    1)計算變壓器銅耗Pm    根據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，再根據銅耗來計算電流密度。計算銅耗應該在磁芯規格確定之后進行。式中：St是變壓器表面積（cm2）； &#

11、160;    Pb是在工作磁感應強度和頻率下單位質量的磁芯損耗（W/kg）；      Gc是磁芯質量（kg）。    在實際計算中，銅耗可以按總損耗的一半處理。    2)計算銅線質量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，定義為繞組凈可繞線空間與導線截面積之比。 &#

12、160;  計算銅線占空系數時應根據不同情況選取適當值，一般選取范圍在0.250.4之間，采用多股并繞時應選取較小值。    3)計算電流密度J    4)計算導線截面積Smi和線徑di式中：Ii是各繞組電流有效值（A）。    計算所需導線直徑時，應考慮趨膚效應的影響。當導線直徑大于2倍趨膚深度時，應盡可能采用多股導線并繞。采用n股導線并繞時，每股導線的直徑din按下式計算。    如果采用多股導線并繞，導線的股數太多，可以采用銅箔。在使用銅箔時，銅箔的厚度應該小

13、于兩倍的趨膚深度，銅箔的截面積必須大于該繞組導線所需的截面積。    在計算完畢后，校驗窗口尺寸，計算分布參數，校驗損耗和溫升等。3應用實例    設計一個用于輸入為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，采用第三繞組復位，銅線的趨膚深度為=0.148mm。按照上述設計方法，設計的高頻開關電源變壓器如下：    磁芯規格EFD20，磁芯材料為3F3，Ae=31.0mm2，Philips；   

14、 初級繞組16匝，采用型號為AWG31的銅線，6股并繞；    復位繞組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。    在最終確定導線規格時，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，如圖3所示8，其中P1和P2為變壓器初級繞組，并聯；S1和S2為變壓器次級繞組，并聯；R為變壓器復位繞組。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